DE102018127452B3

DE102018127452B3 - Verfahren zum Betrieb einer Dimmer-Leuchtmittel-Kombination sowie Dimmer für eine Dimmer-Leuchtmittel-Kombination

Info

Publication number: DE102018127452B3
Application number: DE102018127452.1A
Authority: DE
Inventors: Achim Corsten
Original assignee: Albrecht Jung GmbH and Co KG
Current assignee: Albrecht Jung GmbH and Co KG
Priority date: 2018-11-05
Filing date: 2018-11-05
Publication date: 2019-09-26
Anticipated expiration: 2038-11-06

Abstract

Bei einem Verfahren zum Betrieb einer an ein Stromversorgungsnetz angeschlossenen Dimmer-Leuchtmittel-Kombination 1 wird das Leuchtmittel 3 durch den Dimmer 2 phasenan- oder phasenabschnittsgesteuert. Bei einem Betrieb der Dimmer-Leuchtmittel-Kombination 1 werden die leitungsgebundenen Störungen in Netzfrequenz und dem Vielfachen davon - die Oberwellenanteile - des Laststromes erfasst. Im Falle einer Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwertes der erfassten Oberwellenanteile wird Einfluss auf die Ansteuerung des Leuchtmittels 3 durch den Dimmer 2 genommen.
Beschrieben ist ferner ein Dimmer 2 mit einer Messlogik 6 zur Bestimmung des Maßes der durch einen Betrieb der Dimmer-Leuchtmittel-Kombination 1 erzeugten leistungsgebundenen Störungen in Netzfrequenz und dem Vielfachen davon - den Oberwellen - des Laststromes und mit Mitteln zum Reduzieren von Oberwellenanteilen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer an ein Stromversorgungsnetz angeschlossenen Dimmer-Leuchtmittel-Kombination, bei welchem Verfahren ein Leuchtmittel durch den Dimmer gesteuert wird. Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Dimmer für eine solche Dimmer-Leuchtmittel-Kombination sowie eine an eine Stromversorgung angeschlossene Dimmer-Leuchtmittel-Kombination.
Infolge der in den letzten Jahrzehnten weiterentwickelten Leuchtmitteltechnologie konnte der Wirkungsgrad von Leuchtmitteln gesteigert werden. Ausgehend von der Glühbirne, die jahrzehntelang den Markt für Leuchtmittel beherrscht hat, wurden Leuchtstoffröhren, Energiesparlampen, Halogenlampen und LEDs (Light Emitting Diodes) entwickelt. Aufgrund erheblicher Wirkungsgradvorteile hat sich die LED-Technologie mittlerweile als besonders zukunftsweisend etabliert. So vorteilhaft die mit dieser Technologie einhergehende Energieeinsparung auch ist, stellt der Wandel von der Glühbirne zur LED als Leuchtmittel eine große Herausforderung bezüglich der Versorgungsqualität der elektrischen Energieversorgung dar, insbesondere hinsichtlich der Spannungsqualität, vor allem wenn das Leuchtmittel gedimmt betrieben werden soll. Während die ältere Glühbirne im Wesentlichen ein ohmscher Drahtwiderstand ist, die den im Stromversorgungsnetz fließenden Stromverlauf unbeeinflusst lässt, verursachen LEDs bzw. Dimmer-LED-Kombinationen eine mitunter nicht unerhebliche Verformung des in das Stromversorgungsnetz rückwirkend abgegebenen Stroms. Dieses liegt in der Tatsache begründet, dass moderne LED-Leuchtmittel mit Schaltnetzteilen versorgt werden, welche einen für den Betrieb erforderlichen Konstantstrom bereitstellen. Hierbei wird zunächst die Netzspannung gleichgerichtet, anschließend wird eine elektronische Modulation vorgenommen und die so erhaltene modulierte Gleichspannung einem Transformator zugeführt, der das Leuchtmittel bzw. die LED ansteuert. Dabei weist die modulierte Gleichspannung typischerweise eine steilflankige Rechteckspannung auf, die typischerweise eine Schaltfrequenz im Bereich von 30 bis 100 kHz aufweist. Durch diesen Betrieb ist zwar der Wirkungsgrad besonders gut. Allerdings entstehen störende HF-Anteile, was sich negativ auf die EMV-Verträglichkeit auswirkt.
LED-Leuchtmittel werden bei einem Dimmbetrieb typischerweise phasenan- oder phasenabschnittsgesteuert. Das Ein- oder Ausschalten erfolgt somit nicht im Nulldurchgang der Spannung bzw. Stroms in einer Halbwelle. LEDs wie auch andere nicht lineare Leuchtmittel zünden beim Einschalten, was zu Stromspitzen in einer Halbwelle führt. Auch sind Doppel- oder Mehrfachzündungen möglich, die sodann zu zwei oder mehreren aufeinander folgenden Stromspitzen in einer Halbwelle führen. Die Netzfrequenz ist konstant. Daher bilden sich neben der ersten Stromspitze in einem Vielfachen der Netzfrequenz Oberwellen. Diese Störungen sind leitungsgebunden und werden daher ins elektrische Versorgungsnetz rückwirkend abgegeben. Mit zunehmender Etablierung gedimmt betriebener LED-Technologie werden auch zunehmend mehr Oberwellen in das Stromversorgungsnetz von dem jeweiligen Verbraucher eingeprägt.
Vor diesem Hintergrund schreibt die europäische Norm EN 50160:2000-03 vor, dass der Gesamt-Oberschwingungsgehalt, der das maximale Maß von Oberwellen beschreibt, die durch einen Verbraucher in das Stromversorgungsnetz abgegeben werden dürfen, maximal 8% der Spannung betragen darf, wobei der Gesamt-Oberschwingungsgehalt von der zweiten bis zur 40. Harmonischen diesen Betrag nicht überschreiten darf. Der Gesamt-Oberschwingungsgehalt (GOG) in Prozent ist definiert als $GOG (%) = \frac{\sqrt{U_{h 2}^{2} + U_{h 3}^{2} + \dots . + U_{h n}^{2}}}{U_{h 1}} * 100,$
wobei der Zähler die Summe der Effektivwerte aller Oberschwingungen und der Nenner den Effektivwert der Grundschwingung darstellt. Übliche Werte für den Gesamt-Oberschwingungsgehalt im Niederspannungsnetz (230 V) liegen heutzutage bei etwa 2 bis 5 % und verursachen eine deutlich sichtbare Abweichung der Spannung von der angestrebten idealen Sinus-Form. Typische Auswirkungen eines zu hohen Gesamt-Oberschwingungsgehaltes sind beispielsweise eine nicht betriebsbedingte Erwärmung von Dreh- oder Wechselstrommotoren, eine die Lebensdauer von Glühlampen herabsetzende Erhöhung der Glühfadentemperatur, störende Geräuschemissionen bei Leuchtstoffröhren, Fehlfunktionen von Stromrichtern und Synchronisierungseinrichtungen in Folge von mehrfachen und verschobenen Nulldurchgängen und störende Wechselwirkungen zwischen Freileitungen und Telefonleitungen, die die Sprachübertragung erheblich beeinträchtigen können.
Vorkonfektionierte Dimmer-Leuchtmittel-Kombinationen sind herstellerseitig auf die Einhaltung der EN 50160:2000-03 geprüft. Wird allerdings das von dem Dimmer angesteuerte Leuchtmittel gegen ein anderes ausgetauscht, ist eine Einhaltung dieser Norm nicht mehr gewährleistet. Überdies ändern sich die diesbezüglichen Eigenschaften von LED-Leuchtmittel im Laufe ihrer Lebensdauer.
Zur Optimierung des Betriebs einer Dimmer-Leuchtmittel-Kombination sind Dimmer bekannt geworden, die zur Optimierung des Dimmbetriebes in Abhängigkeit von dem daran angeschlossenen Leuchtmittel in eine Phasenanschnittssteuerung oder eine Phasenabschnittsteuerung schalten. Insofern erfolgt hierdurch eine Anpassung des Dimmerbetriebes an das Stellverhalten des Leuchtmittels. Beschrieben ist eine derartige Dimmeranpassung beispielsweise DE 10 2015 214 631 B3 . in Erforderlich ist ein solches Umschalten, wenn zwischen einem Betrieb von kapazitiven und induktiven Lasten gewechselt wird.
Zudem ist durch die DE 10 2007 035 954 A1 ein Verfahren zur Leistungsregelung elektrischer Verbraucher an einem Wechselstromnetz bekannt geworden. Bei dem Verfahren wird die Stromzufuhr zum Verbraucher während eines Bruchteils der Dauer einer Halbwelle des Wechselstroms durch Phasenanschnitt unterbrochen. Eine korrespondierende Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist vorgesehen. Im Wesentlichen zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass eine ungerade Anzahl von unterschiedlichen Phasenwinkeln für aufeinanderfolgenden Halbwellen vorliegt. Durch diese Maßnahme lassen sich sowohl unerwünschte Oberwellen der Stromaufnahme, speziell die dritte Harmonische, bei ohmschen, induktiven und kombinierten ohmschen und induktiven Verbrauchern von 10 dB bis zu 14 dB dämpfen. Dabei werden gleichzeitig unerwünschte Nebeneffekte wie resonante Vibrationen der elektrischen Verbraucher unterbunden.
Außerdem ist durch die DE 101 00 196 A1 ein Verfahren und eine Versorgungsvorrichtung zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers bekannt geworden. Das Verfahren ist insbesondere zur Versorgung eines Elektromotors mit elektrischer Energie vorgesehen, bei dem ein von mindestens einem ersten Phasenwinkel abhängiger erster Anteil einer wellenförmigen Spannung für den elektrischen Verbraucher bereitgestellt wird. Zu diesem Zweck ist eine Versorgungsvorrichtung vorgesehen. Es wird vorgeschlagen, dass abwechselnd ein von mindestens einem zweiten Phasenwinkel abhängiger zweiter Anteil der Spannung und ein von mindestens einem dritten Phasenwinkel abhängiger dritter Anteil der Spannung bereitgestellt wird, wobei der mindestens eine zweite Phasenwinkel größer als der mindestens eine erste Phasenwinkel und der mindestens eine dritte Phasenwinkel kleiner als der mindestens erste Phasenwinkel ist, so dass im zeitlichen Mittel der zweite und der dritte Anteil der Spannung zusammen im Wesentlichen dem ersten Anteil der Spannung entsprechen.
Des Weiteren ist durch die DE 10 2007 059 789 B3 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduzierung von Oberwellen und interharmonischer Wellen für Leistungssteuerungen von an einem Wechselspannungsnetz angeschlossenen elektrischen Verbrauchern bekannt geworden. Dabei wird der die Leistungsaufnahme bestimmende Zündwinkel des Phasenanschnitts je Halbwelle der speisenden Wechselspannung in einer wiederkehrenden Sequenz variiert, so das der über die Sequenz gemittelte Zündwinkel dem Sollwert des Zündwinkels entspricht.
Zudem ist durch die DE 201 21 006 U1 eine Phasenanschnittschaltung mit zwei Anschlüssen zur Verbindung mit einer Wechselspannungsquelle und einer von einer phasenangeschnittenen Wechselspannung zu betreibenden Last bekannt geworden. Es ist eine zwischen die beiden Anschlüsse geschaltete Parallelschaltung zweier Schaltungszweige vorgesehen, von denen der eine ein zündfähiges Schaltelement und der andere einen Transistor enthält.
Außerdem ist durch die DE 297 07 902 U1 eine Vorrichtung zur Leistungssteuerung von an ein Wechselspannungs-Versorgungsnetz angeschlossenen elektrischen Verbrauchern bekannt geworden. Als elektrische Verbraucher sind insbesondere ohmsche Lasten wie Heizplatten, Gebläse, Heizluftgebläse, Elektroheizungen und dergleichen angesprochen.
Weiterhin ist durch die AT 414 321 B ein Fehlerstromschutzschalter mit einer Einheit zur Detektion eines Fehlerstroms innerhalb eines elektrischen Energieversorgungsnetzes und einer Netztrenneinheit bekannt geworden. Die Einheit zur Detektion des Fehlerstromes umfasst eine Analyse-Einheit zur spektralen Charakterisierung des erfassten Stromes.
Ausgehend von dem vorstehend diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer an ein Stromversorgungsnetz angeschlossenen Dimmer-Leuchtmittel-Kombination vorzuschlagen, welches einen normkonformen Betrieb für quasi jedwede Kombination von Dimmern und Leuchtmitteln, insbesondere von nicht linearen Leuchtmitteln sicherstellt und dennoch keine Nachteile hinsichtlich des Wirkungsgrades und der Bauraumanforderung in Kauf genommen werden müssen.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein eingangs genanntes, gattungsgemäßes Verfahren, bei dem bei einem Betrieb der Dimmer-Leuchtmittel-Kombination die leitungsgebundenen Störungen in Netzfrequenz und dem Vielfachen davon - die Oberwellenanteile - des Laststromes erfasst werden und im Falle einer Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwertes Einfluss auf die Ansteuerung des Leuchtmittels durch den Dimmer genommen wird.
Der dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegende Ansatz besteht darin, zunächst die bei einem Betrieb der Dimmer-Leuchtmittel-Kombination entstehenden Oberwellenanteile, die in das Stromversorgungsnetz bei einer Benutzung einer Dimmer-Leuchtmittel-Kombination rückwirkend abgegeben werden, zu erfassen. Die erfassten Oberwellenanteile werden mit einem vorgegebenen Schwellwert, typischerweise in dem Dimmer in einem Speicher abgelegt, verglichen. Der Schwellwert ist typischerweise so gelegt, dass durch diesen ein non-konformer Betrieb von einem konformen Normbetrieb unterschieden werden kann. Es versteht sich, dass der Schwellwert auch tiefer und somit unterhalb der vorgegebenen Norm liegen kann. Liegen die erfassten Oberwellenanteile unterhalb des Schwellwertes, wird die Dimmer-Leuchtmittel-Kombination normkonform betrieben. Eine Einflussnahme auf die Ansteuerung des Leuchtmittels durch den Dimmer ist dann nicht erforderlich.
Ein non-konformer Normbetrieb liegt vor, wenn die erfassten Oberwellenanteile den vorgegebenen Schwellwert überschreiten. Wenn die erfassten Oberwellenanteile auf einen non-konformen Betrieb schließen lassen, wird Einfluss genommen auf den Ansteuerbetrieb des Dimmers zum Ansteuern des Leuchtmittels. Einfluss genommen werden kann auf den Phasenwinkel etwa dadurch, dass dieser, typischerweise von Halbwelle zu Halbwelle variiert wird. Dieses bedeutet, dass bei aufeinanderfolgenden Halbwellen der Einschaltzeitpunkt - der Phasenwinkel - um den nutzerseitig vorgegebenen Einschaltzeitpunkt herum um ein vorgegebenes maximales Maß variiert wird. Dieses Maß kann beispielsweise ein oder zwei Dimmstufen zu jeder Seite der eingestellten Dimmstufe betragen. Eine Variation ist auch in Prozent-Anteilen oder in Phasenwinkelbeträgen möglich. Eine Variation des Phasenwinkels bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Phasenwinkel von Halbwelle zu Halbwelle maximal um das vorgegebene Variationsmaß variiert wird. Möglich ist auch ein Betrieb, bei dem der Phasenwinkel in mehreren Schritten über das vordefinierte maximale Variationsmaß durchläuft. Durch eine derartige Variation des Phasenwinkels werden wirksam die Oberwellenanteile reduziert. Auf diese Weise kann eine Dimmer-Leuchtmittel-Kombination, die ohne eine solche Phasenwinkel-Variation-Ansteuerung nur non-normkonform betrieben werden kann, normkonform betrieben werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden müssen, um die entstandenen Oberwellenanteile zu reduzieren, beispielsweise durch die Verwendung mehrere aufeinander abgestimmter passiver Filter, setzt das erfindungsgemäße Verfahren bei der Ursache des Problems an, indem bereits die Erzeugung von über eine vorgegebene Schwelle hinausragenden Oberwellenanteilen wirksam vermieden bzw. deutlich reduziert wird. Im Vergleich zu Oberwellenfiltern, die immer spezifisch auf eine ganz konkrete Dimmer-Leuchtmittel-Kombination abgestimmt sind, wird bei diesem innovativen Verfahren jede Dimmer-Leuchtmittel-Kombination, die aktuell vorliegt, dimmerseitig überprüft, ob diese konkrete Dimmer-Leuchtmittel-Kombination normkonform arbeitet oder nicht. Damit erlaubt dieses Verfahren auch eine kontinuierliche Beobachtung der durch den Betrieb erzeugten Oberwellen, sodass auch auf Änderungen im Laufe des Betriebs dimmerseitig reagiert werden kann. Dieses gilt erst recht für den Fall, dass ein Leuchtmittel durch ein anderes ersetzt wird.
Einfluss genommen werden kann im Falle des Erfassens von Oberwellenanteilen, die über den vorgegebenen Grenzwert reichen, auf die Ansteuerung des Leuchtmittels auch, dass ein Ansteuerbetrieb nur durch Ein- und Ausschalten des Leuchtmittels und somit ohne Dimmbetrieb ermöglicht wird, um einen normkonformen Betrieb zu gewährleisten. In einer anderen Variante kann Einfluss auf die Ansteuerung des Leuchtmittels durch den Dimmer dergestalt genommen werden, dass eine Ansteuerung nicht mehr erfolgt, mithin die Dimmer-Leuchtmittel-Kombination nicht betrieben werden kann.
Die Erfassung der Oberwellenanteile bei einem Betrieb der Dimmer-Leuchtmittel-Kombination wird typischerweise beim Einschalten derselben vorgenommen. Ist eine über die Zeit andauernde Überprüfung vorgesehen, kann diese in zeitlichen Abständen beim Betrieb der Kombination wiederholt werden. Auch ist eine Überprüfung in Echtzeit möglich.
Den Schwellwert wird man typischerweise entsprechend der Norm setzen. Ebenfalls ist es möglich, den Schwellwert auch tiefer anzusetzen oder auch mehrere Schwellwerte vorzusehen. Wird ein Schwellwert gesetzt, der unter dem durch die Norm vorgegebenen Schwellwert liegt, wird trotz normkonformen Betriebes das Aussenden von Störsignalen in das Netz reduziert.
Eine Einflussnahme auf die Variation des Phasenwinkels kann in Abhängigkeit von dem Maß der über den Schwellwert hinausgehenden Oberwellenanteile vorgenommen werden. Liegt der Oberwellenanteil der erfassten Oberwellen nur geringfügig über dem Schwellwert, kann es zum Erzielen eines normkonformen Betriebes der Dimmer-Leuchtmittel-Kombination bereits ausreichend sein, wenn das Maß der Variation des Phasenwinkels gering ist, mithin der Variationsbetrag klein ist. Ist das Maß der über den Schwellwert hinausgehenden Oberwellenanteile größer, kann hierdurch ansteuerseitig mit einer vom Maß her größeren Variation des Phasenwinkels reagiert werden. In vielen Fällen wird man bemüht sein, die Variation des Phasenwinkels gering zu halten. Das Maß der Variation des Phasenwinkels wird man hinreichend klein halten, damit keine Helligkeitsänderungen (Flackern) wahrgenommen werden.
In einer abgespeckten Ausgestaltung verfügt der Dimmer nicht über Mittel zum Erfassen der Oberwellenanteile. Bei dieser Ausgestaltung erfolgt die Leuchtmittelansteuerung in einer nicht beanspruchten Ausgestaltung durch den Dimmer immer mit einer voreingestellten Phasenwinkelvariation. Mit einem solchen Dimmer können eine Vielzahl von Leuchtmitteln normkonform gedimmt werden, die mit einem herkömmlichen Dimmer ohne diese zusätzliche Maßnahme nicht normkonform betrieben werden können.
Vorzugsweise werden die Oberwellenanteile nach einer Beeinflussung des Phasenwinkels bei einem Betrieb der Dimmer-Leuchtmittel-Kombination erfasst und überprüft, ob die durchgeführte Maßnahme zu einer ausreichenden Reduzierung der ursprünglich über den Schwellwert hinausgehenden Oberwellenanteile geführt hat. Hat die Maßnahme noch nicht zu dem gewünschten Ergebnis geführt, kann in einem oder in mehreren weiteren Schritten die Phasenwinkelvariation geändert werden, und zwar bis zu dem maximal zugelassenen Phasenvariationsmaß. Eine Überprüfung einer Phasenwinkeländerung innerhalb der definierten Phasenwinkelvariation kann somit in einem ersten Schritt mit einem geringen Maß einer Phasenwinkelvariation vorgenommen werden, wobei die Schrittweite in der Phasenwinkelvariation erhöht wird, wenn die erste Beeinflussungsmaßnahme noch nicht zu einer ausreichenden Reduktion der Oberwellenanteile geführt hat.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass, wenn eine Reduzierung der über den Schwellwert hinausgehenden Oberwellenanteile in einem oder in mehreren Schritten nicht soweit bewirkt werden konnte, dass ein normkonformer Betrieb gewährleistet ist, die Ansteuerung des Leuchtmittels nur noch ungedimmt und somit nur noch mit einem Ein- und Ausschalten möglich ist. Sollte dimmerseitig festgestellt werden, dass eine sinnvolle Ansteuerung des Leuchtmittels durch den Dimmer überhaupt nicht möglich ist, schaltet der Dimmer gemäß einer Ausgestaltung in einen nicht-Ansteuerbetrieb um, was einem Nutzer beispielsweise durch ein Lichtsignal im Dimmer zur Kenntnis gebracht werden kann.
Die Bestimmung des Maßes der durch einen Betrieb der Dimmer-Leuchtmittel-Kombination verursachten Oberwellenanteile kann beispielsweise durch eine Fourier-Analyse des Laststroms vorzugsweise mit einer schnellen Fourier-Analyse vorgenommen werden. Diese Funktionalität kann von dem in dem Dimmer ohnehin vorhandenen Mikrocontroller ausgeführt werden. Hierzu wird der Laststrom in einer vorgegebenen Frequenz gesampelt (abgetastet und digitalisiert) und mithilfe einer Fourier-Analyse zum Erzeugen eines Oberwellenspektrum ausgewertet. Da das Signal zyklisch ist, reicht bereits eine geringe Rechenleistung zur Ermittlung der Frequenzanteile aus. Zweckmäßigerweise wird eine solche Messung über mehrere Intervalle gemittelt.
Eine Erfassung der Oberwellenanteile bei einem Betrieb der Dimmer-Leuchtmittel-Kombination kann auch durch eine Spitzenwertgleichrichtung des Laststromes erfolgen. Die über die Spitzenwertgleichrichtung erhaltenen Signale werden nachgearbeitet und liefern ein probates proportionales Maß der rückwärtigen Störaussendung. Für die Zwecke des Verfahrens ist es nicht erforderlich, dass exakt normgemäß die Oberwellenanteile bestimmt werden. Vielmehr ist es ausreichend, diese hinreichend angenähert zu bestimmen, damit ein non-normkonformer-Betrieb vermieden werden kann.
Die Variation des Phasenwinkels kann gemäß einer Ausgestaltung durch eine Änderung der Schaltgeschwindigkeit eines MOSFETs erfolgen, welcher das Leuchtmittel mit einer zu variierenden Schaltgeschwindigkeit ansteuert. Bei der veränderten Schaltgeschwindigkeit des MOSFETs wird der Zeitpunkt bzw. die Phase, wenn die Stromkurve ihre maximale Amplitude erreicht, verändert, was dazu führt, dass unterschiedliche Halbwellen über unterschiedliche Phasenlagen verfügen und hierdurch eine Variation des Phasenwinkels erzielt wird.
Die Ansteuerung des Leuchtmittels durch den Dimmer mit variierendem Phasenwinkel kann auch durch eine Überlagerung der Ansteuerung der Leistungsstufe des Dimmers mit einer analogen Modulation vorgenommen werden.
Neben dem vorstehend beschriebenen Verfahren schlägt die Erfindung zudem einen Dimmer vor, der über eine Messlogik zur Bestimmung des Maßes der durch einen Betrieb der Dimmer-Leuchtmittel-Kombination erzeugten leistungsgebundenen Störungen in Netzfrequenz und dem Vielfachen davon - den Oberwellen - des Laststromes verfügt und der ein Mittel zum Reduzieren von Oberwellenanteilen umfasst.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:

1: ein schematisiertes Blockschaltdiagramm einer Dimmer-Leuchtmittel-Kombination,
2: den schematischen Strom- und Spannungsverlauf einer idealen Glühbirne als Funktion des Phasenwinkels (oben) und das dazugehörige Spannungsspektrum (unten)
3: einen schematischen Strom- und Spannungsverlauf einer Dimmer-Leuchtmittel-Kombination gemäß dem Stand der Technik als Funktion des Phasenwinkels (oben) sowie das dazugehörige Spannungsspektrum (unten) und
4: einen schematischen Strom- und Spannungsverlauf einer Dimmer-Leuchtmittel-Kombination gemäß der vorliegenden Erfindung als Funktion des Phasenwinkels (oben) sowie das dazugehörige Spannungsspektrum (unten).

Eine Dimmer-Leuchtmittel-Kombination 1 umfasst einen Dimmer 2 und ein von diesem angesteuertes Leuchtmittel 3. Bei dem Leuchtmittel 3 handelt es sich um eine Gruppe von LEDs. Der Dimmer 2 verfügt über eine Bedieneinheit 4, mit der der gewünschte Dimmwert eingestellt werden kann und mit der das Leuchtmittel 3 zudem ein- und ausgeschaltet werden kann. Der Dimmer 2 verfügt des Weiteren über eine Dimmeinheit 5, durch die das Leuchtmittel 3 in an sich bekannter Weise phasenanschnittsgesteuert ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Dimmeinheit 5 als Grundaufbau eine geschaltete Vollbrücke. Der Dimmer 2 umfasst des Weiteren eine Mess- und Steuerlogik 6. Die Mess- und Steuerlogik 6 dient zum Erfassen von Informationen aus dem Laststrom. Die Mess- und Steuerlogik 6 erfasst die netzfrequenten Anteile und deren Oberwellenanteile des Laststromes bei einem Betrieb der Dimmer-Leuchtmittel-Kombination 1. Zu diesem Zweck ist die Mess- und Steuerlogik 6 an die das Leuchtmittel 3 beaufschlagende Phase 7 angeschlossen. Die Mess- und Steuerlogik 6 ist wiederum an die Dimmeinheit 5 angeschlossen, um diese in Abhängigkeit von den erfassten Oberwellenanteilen, die über einen Schwellwert hinausgehen, zu beeinflussen. Zu diesem Zweck verfügt die Mess- und Steuerlogik 6 über einen in der Figur nicht dargestellten Speicher, in dem ein Schwellwert bzw. eine Schwellwertkurve abgelegt ist. Eine Beeinflussung der Dimmereinheit 5 durch die Mess- und Steuerlogik 6 erfolgt, wenn in dem Oberwellenspektrum Oberwellenanteile vorhanden sind, die über dem vorgegebenen Schwellwert liegen.
Die Bedieneinheit 4 ist über die Mess- und Steuerlogik 6 ebenfalls an die Dimmereinheit 4 angeschlossen. Insofern kann in Abhängigkeit von der Dimmstellung die Dimmeinheit 5 auch durch die Mess- und Steuerlogik 6 beeinflusst werden. Die Auswertung erfolgt in einem in der Figur nicht dargestellten Mikrocontroller, der ohnehin Teil des Dimmers 2 ist.
Die Mess- und Steuerlogik 6 erfasst die Oberwellen des Laststromes durch Abtasten derselben in einer vorgegebenen Frequenz (digitalisieren) und Auswerten mit Hilfe einer Fourier-Analyse zum Erzeugen des Oberwellenspektrums. In einem zweiten Schritt wird das auf diese Weise erhaltene Oberwellenspektrum mit dem in dem Speicher abgelegten Schwellwert verglichen und es wird geprüft, ob Oberwellenanteile über den Schwellwert hinausgehen oder nicht.
In 2 ist der schematische Strom- und Spannungsverlauf einer idealen Glühbirne als Funktion des Phasenwinkels dargestellt. Bei dieser idealen Glühbirne, welche durch einen ohmschen Widerstand des Heizdrahtes gekennzeichnet ist, wird keinerlei Strom- und Spannungsverformung des Versorgungsnetzes herbeigeführt. Vielmehr bilden sowohl Strom als auch Spannung einen perfekten sinusförmigen Verlauf mit einer einzigen Frequenz, wie in dem zugehörigen Spannungsspektrum zu erkennen ist. Mit U_h1 ist im Spannungsspektrum diejenige Frequenzkomponente des Spannungssignals bezeichnet, die zu der Grundwelle korrespondiert. Oberwellen, also Wellen mit einer Frequenz, die ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz aufweisen (EN 50160:2000-03), liegen nicht vor. Folglich bestehen keine Bedenken bezüglich der Einhaltung der gesetzlichen Norm.
Deutlich anders verhält es sich für den in 3 gezeigten Strom bzw. Spannungsverlauf, welche charakteristisch für den Betrieb einer Dimmer-Leuchtmittel-Kombination gemäß dem Stand der Technik ist. Der Stromverlauf ist durch sich in jeder Halbwelle periodisch wiederholende steile Stromflanken, bedingt durch das Einschalten gekennzeichnet. Diese befinden sich in dem Phasenwinkel des Einschaltens. In 3 ist der Phasenwinkel des Einschaltens jeweils mit E kenntlich gemacht. Der Einschaltzeitpunkt E ist aufgrund der Phasenanschnittssteuerung um einen gewissen Phasenwinkel von dem Nulldurchgang beabstandet. Beim Einschalten fließt der maximale Strom, da die gleichgerichtete Spannung in einem Hochvolt-Elektrolytkondensator gepuffert wird, bevor diese dem Transformator, der wiederum die LEDs des Leuchtmittels 3 ansteuert, zugeführt wird. Bei dieser Darstellung ist das Leuchtmittel 3 an einen herkömmlichen Dimmer angeschlossen. Sobald der Elektrolytkondensator aufgeladen ist, hat die Stromkurve ihr Maximum erreicht, fällt sodann ab und bildet eine sattelförmige Form. Dieser Strom entspricht demjenigen Strom, welcher durch das Leuchtmittel 3 im Betrieb fließt, während die Spannung näherungsweise konstant bleibt. In Übereinstimmung mit der in 3 schematisiert dargestellten Spannungskurve weist das Spannungsspektrum, bedingt durch die Stromspitzen, eine Vielzahl von Oberwellen auf. Das in 3 unten gezeigte Spannungsspektrum zeigt zudem, dass der maximal zulässige Oberwellenanteil, der normgemäß in das Stromversorgungsnetz rückwirkend abgegeben werden darf, symbolisiert durch die Kurve N, deutlich überschritten wird. Mithin dürfte das Leuchtmittel 3 - gemessen an der gesetzlichen Norm - nicht mit dem Dimmer dieser Dimmer-Leuchtmittel-Kombination betrieben werden, da nicht normkonform.
Wird das Leuchtmittel 3 hingegen an den Dimmer 2 angeschlossen, besteht durch die Bewertung des Laststromes durch die Mess- und Steuerlogik 6 die Möglichkeit, Einfluss auf die Dimmeinheit 5 zu nehmen, um die über die Kurve N hinausgehenden Oberwellenanteile zu reduzieren. Wird von der Mess- und Steuerlogik 6, ein Spannungsspektrum ermittelt, welches mit seinen Oberwellenanteilen über der durch die Kurve N repräsentierten Norm liegt, wird von der Mess- und Steuerlogik 6 Einfluss auf die Dimmeinheit 5 und genommen und Sorge dafür getragen, dass durch die Dimmeinheit 5 das Leuchtmittel 3 mit einem variierenden Phasenwinkel angesteuert wird. Die Beeinflussung der Ansteuerung der Dimmeinheit 5 des Leuchtmittels 3 ist schematisiert in 4 gezeigt. Das Variieren des Phasenwinkels bedeutet, dass von Halbwelle zu Halbwelle der Einschaltzeitpunkt E (Phasenwinkel) in einem vorgegebenen Maße variiert wird, und zwar in Bezug auf den nutzerseitig eingestellten Dimmwert. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel toggelt der variierende Phasenwinkel um den eingestellten Dimmwert in positiver und negativer Richtung um jeweils eine Dimmstufe. In 4 ist der Einschaltzeitraum, in dem der tatsächliche Einschaltzeitpunkt Et liegt, durch Intervallkästchen kenntlich gemacht. In der 4 oben sind die durch die Phasenwinkelvariation geänderten tatsächlichen Einschaltzeitpunkte mit Et kenntlich gemacht. Diese beiden Dimmstufen stellen sodann das maximale Maß der Phasenwinkelvariation dar. Durch die Variation des Phasenwinkels (tatsächlicher Einschaltzeitpunkt Et) von Halbwelle zu Halbwelle ist eine Ausbildung der Oberwellen bzw. der über die Kurve N ansonsten und somit ohne eine solche Maßnahme hinausgehenden Oberwellenanteile (siehe 3 unten) erheblich reduziert (siehe 4 unten).
Das zu den 1 und 4 beschriebene Verfahren wird in Echtzeit durchgeführt. Dieses erlaubt somit eine Überprüfung, ob die durchgeführte Maßnahme in der Variation des Phasenwinkels ausreichend ist. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist dieses der Fall. Für den Fall, dass trotz der vorgenommenen Korrekturmaßnahme ein normkonformer Betrieb, wie durch das Diagramm der 4 unten dargestellt, nicht möglich ist, ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass der Dimmer 2 dann in einen Betriebszustand schaltet, dass durch den das Leuchtmittel 3 nur noch ein- und ausgeschaltet werden kann.
Das Verfahren lässt sich auch mit einem Dimmer durchführen, der nicht unbedingt einen Microcontroller aufweisen muss. Die Erfassung der Oberwellenanteile und deren Auswertung kann auch schaltungstechnisch realisiert sein.
Bezugszeichenliste

1: Dimmer-Leuchtmittel-Kombination
2: Dimmer
3: Leuchtmittel
4: Bedieneinheit
5: Dimmereinheit
6: Mess- und Steuerlogik
7: Phase
E: Einschaltzeitpunkt
Et: tatsächlicher Einschaltzeitpunkt

Claims

Verfahren zum Betrieb einer an ein Stromversorgungsnetz angeschlossenen Dimmer-Leuchtmittel-Kombination (1), bei welchem Verfahren das Leuchtmittel (3) durch den Dimmer (2) phasenan- oder phasenabschnittsgesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Betrieb der Dimmer-Leuchtmittel-Kombination (1) die leitungsgebundenen Störungen in Netzfrequenz und dem Vielfachen davon - die Oberwellenanteile - des Laststromes erfasst werden und im Falle einer Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwertes der erfassten Oberwellenanteile Einfluss auf die Ansteuerung des Leuchtmittels (3) durch den Dimmer (2) genommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einflussnahme auf die Ansteuerung des Leuchtmittels (3) durch den Dimmer (2) das Leuchtmittel (3) mit variierendem Phasenwinkel angesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einflussnahme auf die Ansteuerung des Leuchtmittels (3) durch den Dimmer (2) dazu führt, dass das Leuchtmittel (3) nur noch ein- und ausgeschaltet, jedoch nicht mehr gedimmt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Einfluss auf die Ansteuerung des Leuchtmittels (3) durch den Dimmer (2) dadurch genommen wird, dass durch den Dimmer (2) das Leuchtmittel (3) nicht mehr angesteuert werden kann.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Feststellen, dass trotz Variation des Phasenwinkels der vorgegebene Grenzwert der Oberwellenanteile nicht unterschritten wird, die Dimmer-Leuchtmittel-Kombination (1) in einen Betriebszustand, in dem das Leuchtmittel (3) durch den Dimmer (2) nur ein- und ausgeschaltet werden kann, oder in einen solchen Betriebszustand geschaltet wird, dass ein Dimmen nur in einem begrenzten Dimmbereich möglich ist, in dem der vorgegebene Schwellwert der Oberwellenanteile nicht überschritten wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Betrieb der Dimmer-Leuchtmittel-Kombination (1) verursachten Oberwellenanteile durch eine Auswertung des Laststromes mittels einer Fourier-Analyse ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenwinkelvariation zur Reduktion von Oberwellenanteilen durch Variation der Schaltgeschwindigkeit eines MOSFETs erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Oberwellenanteile in Echtzeit durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Oberwellenanteile in vorgegebenen zeitlichen Intervallen vorgenommen wird.
Dimmer, dadurch gekennzeichnet, dass der Dimmer (2) über eine Mess- und Steuerlogik (6) zur Bestimmung des Maßes der durch einen Betrieb der Dimmer-Leuchtmittel-Kombination (1) erzeugten leistungsgebundenen Störungen in Netzfrequenz und dem Vielfachen davon - den Oberwellen - des Laststromes verfügt und dass der Dimmer (2) ein Mittel zum Reduzieren von Oberwellenanteilen umfasst.
Dimmer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess- und Steuerlogik (6) ein Mikrocontroller ist, der die Oberwellenanteile des Laststromes mittels Fourier-Analyse ermittelt.
Dimmer nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Dimmer (2) neben der Mess- und Steuerlogik (6) über einen Speicher verfügt, in dem zumindest ein Grenzwert oder Grenzwertkurve für die maximal zulässigen Oberwellenanteile abgelegt ist.
Dimmer nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Reduzierung von Oberwellenanteilen ein Ansteuermodul zum Ansteuern eines an den Dimmer (2) angeschlossenen Leuchtmittels (3) mit variierendem Phasenwinkel vorgesehen ist.
Dimmer nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Reduzierung von Oberwellenanteilen ein mit unterschiedlicher Schaltzeit ansteuerbarer MOSFET vorgesehen ist.
An ein Stromnetz angeschlossene Dimmer-Leuchtmittel-Kombination, dadurch gekennzeichnet, dass der Dimmer (2) ein Dimmer nach einem der Ansprüche 10 bis 14 ist.