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Die Erfindung betrifft eine Leistungssteuerungsschaltung und ein Leistungssteuerungsverfahren. Sie betrifft insbesondere eine Schaltung, mittels derer Leistung graduell wählbar einem Verbraucher zugeführt werden kann. Es kann sich um einen Dimmer in einer Wechselstromversorgung handeln.
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6A und 6B zeigen Verschaltungsvarianten solcher Leistungssteuerungsschaltungen 10. Mit 4 ist eine Wechselspannungsquelle angedeutet. Es kann sich um eine reguläre 230-Volt-Wechselstromquelle mit 50 Hz Nennfrequenz handeln. Sie kann eine Phase gegenüber dem Nullleiter eines Drehstromanschlusses sein. 3 symbolisiert einen Verbraucher, hier als Leuchte symbolisiert. Der Verbraucher 3 wird von einer ersten elektrischen Leitung 1a, 1b und einer zweiten elektrischen Leitung 2 zur Bildung eines Stromkreises mit Energie aus der Quelle 4 gespeist. In eine der Leitungen, in den Figuren dieser Beschreibung die erste elektrische Leitung 1, ist eine Leistungssteuerungsschaltung 10 eingeschaltet (eingeschleift). Man kann sich die Leitung 1 aufgetrennt vorstellen, so dass sie zwei Leitungsteile 1a und 1b hat, die beide an die Leistungssteuerungsschaltung 10 angeschlossen sind. Die zwei Leitungsteile 1a und 1b müssen aber nicht durch physisches Auftrennen einer vorher einheitlichen Leitung 1 entstanden sein, sondern können gleich anfänglich separat verlegt worden sein.
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Die Leitungssteuerungsschaltung 10 kann ein Dimmer sein. Er kann beispielsweise in Wohnräumen etwa in Unterputzdosen montiert sein. Es sind aber auch Anwendungen mit höheren Leistungen als sie gewöhnlich in Wohnräumen zu finden sind von der Beschreibung erfasst. Genauso kann die Montage in Schaltschränken oder ähnlichem erfolgen.
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Die Sollwert-Vorgabe kann beispielsweise durch manuelle Eingabe mittels eines Potentiometers erfolgen oder kann durch Signaleingabe von anderen technischen Komponenten, etwa überlagerten Steuerungen, erfolgen.
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Die Leistungssteuerungsschaltung 10 trägt dafür Sorge, dass die zum Verbraucher 3 gelangende Leistung in bestimmten Bereichen steuerbar bzw. regelbar ist. Die maximal mögliche Leistung ist diejenige, die fließen würde, wenn die Leistungssteuerungsschaltung gar nicht vorhanden ist bzw. verlustfrei durchschaltet. Die Leistung bestimmt sich dann anhand des Innenwiderstands der Last 3 und der Spannung der Spannungsquelle 4. Ausgehend von dieser maximal möglichen Leistung kann die Leistungssteuerungsschaltung die tatsächlich durchgelassene Leistung als Anteil der maximalen Leistung steuern. Die Sollwertvorgabe kann dementsprechend ein Anteil (Prozentsatz) der maximal möglichen Leistung sein.
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6A zeigt den Fall, dass die zweite elektrische Leitung 2 entfernt vom Dimmer zurück vom Verbraucher 3 zur Quelle 4 läuft, dass also die Leistungssteuerungsschaltung nicht mit der zweiten elektrischen Leitung 2 verbunden ist. Dies ist eine häufig anzutreffende Installationssituation. Wenn die Leistungssteuerungsschaltung als Dimmer in einer Unterputzdose ausgebildet ist, kann es sein, dass die Rückleitung 2 entfernt von der Unterputzdose läuft, so dass der Dimmer physisch nicht an die zweite elektrische Leitung 2 angeschlossen werden kann.
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6B zeigt den anderen Fall, bei dem in bekannter Weise eine Leistungssteuerungsschaltung 10 in die erste elektrische Leitung 1a, 1b eingeschleift ist, wie vorher beschrieben und bei der sie auch mit der zweiten elektrischen Leitung über eine Stichleitung 2a verbunden ist. Der Vorteil der Installation gemäß 6b (mit Stichleitung hin zur zweiten elektrischen Leitung 2) ist, dass die interne Energieversorgung des Dimmers leichter hergestellt werden kann, da letztlich dauernd das Potential der Spannungsquelle 4 zur Verfügung steht, das dementsprechend höhere Sollwerte für die durchzureichende Leistung vorgegeben werden können und dass andererseits kleinere Maximalleistungen von Verbrauchern für die Leistungssteuerungsschaltung zulässig sind, also an sie angeschlossen werden können. Auch Synchronisationen können sich in der Beschaltung der 6B besser ermitteln lassen. Der Vorteil der Installation nach 6A ist, dass sie auch dann erfolgen kann, wenn die nicht aufgetrennte elektrische Leitung (die zweite elektrische Leitung 2) nicht oder nur aufwendig zugänglich ist.
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Nachteilig an der bisherigen Situation ist es, dass je nachdem, welche Einbausituation vorliegt, unterschiedliche Bauarten von Dimmern verwendet werden müssen, da sie abhängig von der externen Beschaltung (insbesondere abhängig davon, ob die Stichleitung 2a angeschlossen ist oder nicht) unterschiedlich arbeiten und unterschiedlichen Randbedingungen ausgesetzt sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Leistungssteuerungsschaltung und ein Leistungssteuerungsverfahren anzugeben, die in beiden Beschaltungsarten angepasst arbeiten können. Insbesondere sollen sie für den sogenannten „Dreidrahtanschluss“, also im Dreidrahtanschluss mit Anschluss der Stichleitung 2a gemäß 6B, ausgelegt sein, sollen aber auch ohne Anschluss der Stichleitung 2a im Zweidrahtanschluss“ gemäß 6a verwendbar sein.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Eine Leistungssteuerungsschaltung hat einen ersten und einen zweiten Anschluss, so dass sie in eine erste elektrische Leitung, die elektrische Leistung zu einem Verbraucher führt, eingeschaltet (eingeschleift) werden kann, einen dritten Anschluss zum Anschließen einer die elektrische Leistung führenden zweiten elektrischen Leitung beispielsweise mittels einer Stichleitung eine elektronische Schaltvorrichtung zum Schalten der elektrischen Leistung in der ersten elektrischen Leitung nach Maßgabe eines Schaltersteuerungssignals, eine interne Energieversorgungsschaltung, eine Synchronisierungsschaltung zur Erzeugung eines Synchronisierungssignals, einer Sollwertvorgabeschaltung und eine Ansteuerschaltung zum Erzeugen des Schaltersteuerungssignals. Abhängig davon, ob die zweite Leitung über eine Stichleitung an den dritten Anschluss angeschlossen ist oder nicht kann die Leistungssteuerungsschaltung in verschiedener Hinsicht unterschiedlich arbeiten.
- (a) Die Synchronisierungsschaltung weist einen ersten Synchronisierungsschaltungsteil zur Erzeugung des Synchronisierungssignals aus einem Abgriff zwischen erstem und zweitem Anschluss und einen zweiten Synchronisierungsschaltungsteil zur Erzeugung des Synchronisierungssignals nach Maßgabe der Spannung zwischen dem dritten Anschluss und dem ersten oder zweiten Anschluss auf, und/oder
- (b) die Energieversorgungsschaltung weist einen ersten Versorgungsschaltungsteil zur Erzeugung der internen Energieversorgung/Spannungen aus dem Abgriff und einen zweiten Versorgungsschaltungsteil zur Erzeugung der internen Spannungen aus der Spannung zwischen dem dritten Anschluss und dem ersten oder zweiten Anschluss auf, und/oder
- (c) die Ansteuerschaltung ist dazu ausgelegt, zwei alternativ wählbare, unterschiedlich arbeitende Signalerzeugungsroutinen zur Erzeugung des Schaltersteuerungssignals nach Maßgabe des Synchronisierungssignals und des Leistungssollwertsignals zu implementieren, wobei die Wahl einer der Routinen in Abhängigkeit davon erfolgt, ob die zweite elektrische Leitung an den dritten Anschluss angeschlossen ist oder nicht.
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Die obigen Aspekte (a), (b) und (c) können jeweils für sich alleine verwirklicht sein. Oder es können (a) und (b) oder (a) und (c) oder (b) und (c) verwirklicht sein, oder es können (a) und (b) und (c) verwirklicht sein. Soweit einer der Aspekte nicht verwirklicht ist, kann die Auslegung wie für den Zweidrahtanschluss sein.
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Die beschriebene Bauweise der Leistungssteuerungsschaltung hat den Vorteil, dass sie wahlweise im Zweidrahtanschluss oder im Dreidrahtanschluss arbeiten kann. Es müssen dann nicht mehr unterschiedliche Schaltungen für die unterschiedlichen Anschlussarten vorgehalten werden und es kann dann auch nicht mehr zu diesbezüglichen Fehlmontagen kommen.
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Die Leistungssteuerungsschaltung kann eine Anschlusserkennungsschaltung aufweisen, anhand derer die Leistungssteuerungsschaltung selbstständig erkennt, ob an sie die Stichleitung hin zur zweiten elektrischen Leitung angeschlossen ist, also ob Dreidrahtanschluss gegeben ist. Die Anschlusserkennungsschaltung erzeugt wenigstens ein Erkennungssignal, das dann zu internen Steuerungszwecken verwendet werden kann.
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Für die interne Energieversorgung der verschiedenen Komponenten kann die Leistungssteuerungsschaltung einen ersten Versorgungsschaltungsteil und einen zweiten Versorgungsschaltungsteil aufweisen. Der eine arbeitet im Zweidrahtanschluss und kann - mit bestimmten Randbedingungen - Leistung so sammeln und formen, dass die interne Energieversorgung der vorhandenen Komponenten (Leistungsregler, Schalteransteuerung, ...) vorgenommen werden kann. Der andere arbeitet im Dreidrahtanschluss und liefert dann die benötigte Energie. Nötigenfalls, soweit nicht passiv möglich, wird zwischen den beiden Energieversorgungsmechanismen (erster und zweiter Versorgungsschaltungsteil) umgeschaltet.
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Die Leistungssteuerung erfordert regelmäßig synchronisierte Steuerungseingriffe, insbesondere Phasenanschnitt oder Phasenabschnitt. Hierfür ist die zeitliche Synchronisation mit der Versorgungsspannung nötig, insbesondere die Synchronisation auf die Phasenlage der Versorgungsspannung. Es können ein erster und ein zweiter Synchronisierungsschaltungsteil vorgesehen sein. Der eine arbeitet im Zweidrahtanschluss, der andere im Dreidrahtanschluss. Auch hier können nötigenfalls Umschaltmechanismen vorgesehen sein, soweit sich die Ergebnisse der zwei Schaltungsteile nicht passiv kombinieren lassen.
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Die eigentliche Schaltsteuerung der Leistungssteuerungsschaltung erfolgt durch eine Ansteuerschaltung, die dazu ausgelegt sein kann, zwei alternativ wählbare Signalerzeugungsroutinen bzw. Kennlinien zu implementieren bzw. einzusteuern, abhängig davon, ob ein Zweidrahtanschluss oder ein Dreidrahtanschluss vorliegt. Auch hier kann ein Wahlmechanismus in Abhängigkeit von der erkannten Anschlussart (Zweidraht, Dreidraht) vorgesehen sein.
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Die Ansteuerschaltung kann allgemein eine Phasenanschnittsschaltung oder Phasenabschnittsschaltung aufweisen. Sie kann zur Umsetzung der gewünschten Signalerzeugungsroutine eine digital definierte Kennlinie aufrufen, die den Phasenanschnitt oder den Phasenabschnitt entsprechend gewünschten Leistungssollwerten definiert. Die mit der Kennlinie gefundenen Phasenanschnitts- oder -abschnittswerte werden dann in entsprechende Schaltersteuerungssignale umgesetzt und den elektronischen Schaltern zugeführt. Die elektronischen Schalter können einen oder mehrere Transistor, Thyristoren, GTO-Thyristoren, Triacs oder Feldeffekttransistoren aufweisen. Sie können Leistungshalbleiter aufweisen. sie können anschaltbar und ggf. auch ausschaltbar sein.
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Der Sollwert kann manuell eingegeben werden oder kann von einer übergeordneten Steuerung eingegeben werden, wofür leitungsgebundene oder drahtlose Schnittstellen vorgesehen sein können. Die manuelle Eingabe kann ein an sich bekanntes Potentiometer sein, das entsprechend dem Drehwinkel einen relativen Anteil der gewünschten Leistung im Vergleich zum maximal möglichen Wert definiert. Externe Eingaben überlagerter Regelungen können Signale nach Maßgabe vordefinierter Protokolle über einen geeigneten Signalleitungsanschluss zum Anschließen einer geeigneten Steuerungsleitung übermitteln.
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Die Leistungssteuerungsschaltung kann ein Gehäuse aufweisen. Das Gehäuse kann die genannten Anschlüsse als Klemmen am Gehäuseäußeren aufweisen. Für Signalanschlüsse können die Klemmen auch Steckverbindungen aufweisen, gegebenenfalls entsprechend definierter Standards. Ein Signalanschluss kann dabei mehrere Leitungen aufweisen.
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Das Gehäuse kann dazu ausgelegt sein, die Montage der Leistungssteuerungsschaltung in einer Installationsdose zu ermöglichen, insbesondere in einer standardisierten Unterputzdose. Aber auch Auslegung für Aufputzmontage sowie für die Montage in einem Schaltschrank sind möglich.
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Die Anschlusserkennungsschaltung kann eine Potentialüberwachung des Potentials am dritten Anschluss aufweisen. Das Potential des dritten Anschlusses kann gegen den ersten und/oder den zweiten Anschluss gemessen werden. Um definierte Verhältnisse herzustellen, kann das Potential am dritten Anschluss innerhalb der Leistungssteuerungsschaltung beispielsweise mittels eines hochohmigen Widerstands auf ein bestimmtes Potential gezogen werden, etwa auf das Potential des ersten oder des zweiten Anschlusses. Ein solcher Widerstand kann einen hohen Wert aufweisen, insbesondere über 1 MΩ oder über 10 MΩ. Wenn der dritte Anschluss dann tatsächlich mit einer Stichleitung hin zur zweiten elektrischen Leitung verbunden ist, wird er deren Potential annehmen und nicht mehr durch den hochohmigen Widerstand auf das Potential des anderen Anschlusses (erster oder zweiter) gezogen sein. Auf diese Weise kann der Anschluss des dritten Anschlusses der Leistungssteuerungsschaltung an die zweite elektrische Leitung automatisch erfasst werden. Die Anschlusserkennungsschaltung kann das Potential des dritten Anschlusses gegenüber dem ersten Anschluss und gegenüber dem zweiten Anschluss überwachen. Es kommt dann nicht darauf an, wie herum erster Anschluss und zweiter Anschluss an Quelle und Last angeschlossen sind.
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Nach Maßgabe der Erfassung kann ein Signal erzeugt werden, das schaltungsintern zur gegebenenfalls notwendigen Einstellung der internen Komponenten herangezogen werden kann.
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Die Schaltung kann insgesamt einen Dimmer im herkömmlichen Verständnis des Wortes bilden. Die externe Spannungsquelle kann Netzspannung sein (beispielsweise 230 V, 50 Hz oder 110 V, 60 Hz). Die Schaltung kann zur Handhabung beider Wertepaare ausgelegt sein. Sie kann aber auch für Wechselspannungen anderer Beträge und Frequenzen ausgelegt sein.
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Die Last kann beispielsweise Beleuchtung sein. Es kann sich um herkömmliche Glühlampen handeln oder um Neonbeleuchtung, aber gegebenenfalls auch um LEDs, die beispielsweise von einer Wechselspannungsquelle her Leistung beziehen, die zwischen Spannungsquelle und LEDs geeignet umgesetzt wird. Statt Beleuchtung sind aber auch andere Einsatzarten möglich, etwa Motorsteuerung, insbesondere beispielsweise innerhalb Klimaanlagen (Raumheizung, Raumkühlung, ...).
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Die oben beschriebene Technik kann auch als ein Leistungssteuerungsverfahren angesehen werden, bei dem in einer Leistungssteuerungsschaltung in Abhängigkeit davon, ob für sie Zweidrahtanschluss oder Dreidrahtanschluss detektiert wird, unterschiedliche und jeweils angepasste Arten der Schaltsynchronisierung und/oder unterschiedliche Arten der internen Energiebereitstellung und/oder unterschiedliche Ansteuerkennlinien für die Leistungssteuerung gewählt werden.
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Nachfolgend werden Bezug nehmend auf die Zeichnungen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es zeigen
- 1 eine Ausführungsform der Leistungssteuerungsschaltung,
- 2 Details einer Ausführungsform der Leistungssteuerungsschaltung,
- 3 Signalformen,
- 4 mögliche Kennlinien,
- 5 verschiedene Einzelschaltungen innerhalb der Leistungssteuerungsschaltung, und
- 6A, 6B bekannte Einbausituationen von Leistungssteuerungsschaltungen.
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1 zeigt schematisch als Blockschaltbild eine Leistungssteuerungsschaltung 10. Sie ist mit einem symbolisch gezeichneten Gehäuse 17 versehen, das aber nicht notwendigerweise vorhanden sein muss. Die Leistungssteuerungsschaltung kann Teil einer anderen, größeren Schaltung sein und muss nicht eigens gehäust sein.
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Schematisch gezeigt sind auch die Last 3, hier angedeutet als Beleuchtung, und die Spannungsquelle 4, hier angedeutet als Wechselspannungsquelle. Der Stromkreis wird im Wesentlichen durch die erste elektrische Leistung 1a, 1b und die zweite elektrische Leitung 2 zwischen Last 3 und Quelle 4 gebildet. Die erste elektrische Leitung 1a, 1b ist in die zwei Leitungsteile 1a und 1b aufgeteilt, die im Inneren der Leistungssteuerungsschaltung schaltbar verbindbar sind. Die Enden bzw. Leitungsteile 1a, 1b der aufgetrennten ersten elektrischen Leitung 1 sind an den ersten Anschluss 11-1 und den zweiten Anschluss 11-2 der Leistungssteuerungsschaltung 10 anschließbar.
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Die zweite elektrische Leitung 2 ist über eine Stichleitung 2a an den dritten Anschluss 11-3 der Leistungssteuerungsschaltung 10 anschließbar. Es sei darauf hingewiesen, dass anders als gezeigt auch die zweite Leitung 2 die Leistungssteuerungsschaltung 10 durchlaufen kann und dann zwei Klemmen für ihre Durchführung durch die Leistungssteuerungsschaltung vorgesehen sein können. Elektrisch wird aber trotzdem eine interne Stichleitung wie gezeigt nötig sein, um von einem Dreidrahtanschluss reden und dessen Eigenschaften nützen zu können. Schaltbar ist in der Regel nur eine der elektrischen Leitungen, in der gezeigten Ausführungsform die erste Leitung 1, 1a, 1b. Die zweite Leitung 2 kann unschaltbar sein. Sie kann in Sonderfällen aber auch wie die erste Leitung in der Leistungssteuerungsschaltung mit einem eigenen Schalter schaltbar sein.
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Mit 11-4 ist ein vierter Anschluss angedeutet. Er dient der Sollwerteingabe, also dem gewünschten Dimmverhältnis („Dimmwinkel“), soweit die Schaltung als Dimmer anzusehen ist. Es kann sich beim vierten Anschluss 11-4 um einen elektrischen Anschluss handeln, etwa einer Signalleitung von einer übergeordneten Steuerung her. Sie kann dann eine oder mehrere einzelne Leitungen aufweisen. Es kann zur Potenzialtrennung ein nicht gezeigter Drahtloskoppler vorhanden sein. Der vierte Anschluss 11-4 kann aber auch für manuelle Benutzereingabe ausgelegt sein und kann dann ein mechanischer Anschluss sein, etwa für einen Drehregler, einen Schieberegler oder ähnliches.
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Mit 12 ist allgemein eine elektronische Schaltvorrichtung symbolisiert. Sie kann mehr oder minder komplex aufgebaut sein. Sie kann zwischen dem ersten Anschluss 11-1 und dem zweiten Anschluss 11-2 liegen und die beiden Anschlüsse wahlfrei voneinander trennen oder niederohmig miteinander verbinden. In einem einfachen Fall weist die elektronische Schaltvorrichtung 12 einen einzelnen Transistor auf, etwa einen Feldeffekttransistor oder einen (GTO-)Thyristor, allgemeiner einen Leistungshalbleiter. Die elektronische Schaltvorrichtung 12 wird mit einem Schaltersteuerungssignal angesteuert, das innerhalb der Leistungssteuerungsschaltung erzeugt wird. Das Schaltersteuerungssignal kann direkt oder indirekt den elektronischen Schaltern der elektronischen Schaltvorrichtung zugeführt werden, insbesondere etwa auf das Gate oder die Basis des Halbleiters gelegt werden.
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Die Erzeugung des Schaltersteuerungssignals erfolgt in einer Ansteuerschaltung 15. Sie ist mit dem vierten Anschluss 11-4 verbunden, um eine Sollwertvorgabe zu erhalten und weist eine Sollwertvorgabeschaltung auf, um ein verarbeitbares Leistungssollwertsignal nach Maßgabe der über den vierten Anschluss 11-4 eingegebenen Größe zu erzeugen. Nach Maßgabe des Leistungssollwertsignals erzeugt die Ansteuerschaltung dann das Schaltersteuerungssignal. Sie kann hierfür unterschiedliche Kennlinien aufweisen, die in Abhängigkeit davon, ob oder ob nicht die zweite elektrische Leitung 2 an den dritten Anschluss 11-3 angeschlossen ist (also Dreidrahtanschluss oder Zweidrahtanschluss), gewählt werden. Das Leistungssollwertsignal ist dann die Eingangsgröße der Kennlinie. Das Schaltersteuerungssignal wird dann nach Maßgabe der Ausgangsgröße der Kennlinie erzeugt.
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Die Sollwertvorgabeschaltung und die Ansteuerschaltung 15 können digital implementiert sein und gegebenenfalls Eingangsgrößen von einem Analog/Digital-Wandler empfangen und Ausgangsgrößen mittels eines Digital-/Analog-Wandlers erzeugen.
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Die Ausführungsform der 1 zeigt eine Anschlusserkennungsschaltung 16, mittels derer aktiv erkannt werden kann, ob die zweite elektrische Leitung 2 an den dritten Anschluss 11-3 angeschlossen ist oder nicht. Es sei darauf hingewiesen, dass eine solche Schaltung optional vorgesehen sein kann, aber nicht zwingend vorgesehen sein muss. Es sind Ausführungsformen möglich, die eine dedizierte Anschlusserkennung nicht benötigen, sondem diese implizit enthalten. Soweit sie vorhanden ist, kann die Anschlusserkennungsschaltung ein Signal (oder mehrere) ausgeben, das den Komponenten innerhalb der Leistungssteuerungsschaltung 10 zugeführt wird, insbesondere etwa der Ansteuerschaltung oder gegebenenfalls weiteren noch zu beschreibenden Komponenten.
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Die Ansteuerschaltung wird häufig eine Phasenanschnittsschaltung oder eine Phasenabschnittsschaltung sein bzw. verwirklichen, die die tatsächlich ausgegebene Leistung als einen Anteil der maximal möglichen Leistung (Phase vollständig durchgeschaltet, Tastverhältnis 1) steuert. Das Schaltersteuerungssignal wird deshalb in der Regel ein periodisches Signal sein, das die elektronische Schaltvorrichtung periodisch zwischen „an“ und „aus“ (leitend und nichtleitend) umschaltet.
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Für die zeitliche Lage des Schaltersteuerungssignals kann eine Synchronisation auf ein vorgegebenes Zeitmuster notwendig sein. Bei Phasenanschnittssteuerung oder Phasenabschnittssteuerung ist eine Synchronisation der Schaltvorgänge auf die Spannungsnulldurchgänge notwendig, um sinnvoll regeln zu können. Es ist hierfür eine Synchronisierschaltung 14 vorgesehen, die für die Synchronisation maßgebliche Eingangssignale empfängt und ein Synchronisationssignal an die Ansteuerschaltung 15 ausgibt, so dass letztere das Schaltersteuerungssignal synchronisiert erzeugen kann.
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Die Synchronisierungsschaltung 14 kann das Synchronisierungssignal beispielsweise anhand Abgriffs der am ersten Anschluss 11-1 und am zweiten Anschluss 11-2 erzeugten Signale und/oder anhand interner weiterer Signale und/oder anhand der am dritten Anschluss 11-3 anliegenden Spannung erzeugen. Der Abgriff kann eine direkte oder indirekte Verbindung der Synchronisierungsschaltung 14 mit diesen Anschlüssen sein. Die Synchronisierungsschaltung 14 kann insbesondere unterschiedlich arbeiten in Abhängigkeit davon, ob die zweite Leitung 2 an den dritten Anschluss 11-3 angeschlossen ist oder nicht (also ob Dreidrahtanschluss oder Zweidrahtanschluss vorliegt). Die unterschiedliche Arbeitsweise kann implizit anhand der vorliegenden Signale geschehen oder kann explizit anhand eines Signals aus der Anschlusserkennungsschaltung 16 auswählbar sein.
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Die Synchronisierungsschaltung 14 kann weitgehend digital arbeiten und kann eingangsseitig die nötigen Analog/Digital-Wandler und ausgangsseitig nötigenfalls einen Analog/Digital-Wandler aufweisen. Die Ansteuerschaltung 15 kann auch noch auf der digitalen Seite liegen, so dass die Kommunikation mit ihr digital erfolgen kann.
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Die internen Schaltungsteile der Leistungssteuerungsschaltung 10 benötigen für ihren Betrieb eine Spannungsversorgung, insbesondere häufig eine Gleichspannungsversorgung. Die Gleichspannungsversorgung kann einerseits eine bestimmte Spannung erzeugen, um digitale Schaltungen betreiben zu können (hierfür z. B. 3 V oder 3,3 V oder ca. 5 V) und kann andererseits auch Spannungspegel umfassen, die zur Schaltung der Halbleiterschalter geeignet sind (z. B. ca. 15V). Die Leistungssteuerungsschaltung 10 weist deshalb eine Energieversorgungsschaltung 13 auf.
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Regelmäßig weist die Energieversorgungsschaltung 13 einen internen Energiespeicher 13c auf. Es kann sich hier um einen geeignet dimensionierten Kondensator handeln (der auch glättenden Effekt hat) oder um ein geeignetes anderes Energiespeicherelement, etwa einen aufladbaren Akku oder ähnliches. Mehrere davon können in Serie und/oder parallel vorgesehen sein, um gegebenenfalls die nötigen Gleichspannungspegel zu erzeugen.
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Die von der Energieversorgungsschaltung 13 erzeugte Spannung wird den übrigen Schaltungskomponenten, insbesondere der Synchronisierungsschaltung 14, der Ansteuerschaltung 15, der elektronischen Schaltvorrichtung 12 und gegebenenfalls auch der Anschlusserkennungsschaltung 16 zugeführt, was in 1 der Übersicht halber allerdings nicht gezeigt ist.
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In Abhängigkeit davon, ob oder ob nicht die zweite elektrische Leitung 2 an den dritten Anschluss 11-3 angeschlossen ist, kann die Energieversorgungsschaltung 13 unterschiedlich arbeiten bzw. unterschiedliche Versorgungsschaltungsteile 13a, 13b aufweisen. Ein erster Versorgungsschaltungsteil 13a kann dazu ausgelegt sein, die Energie aus der an der elektronischen Schaltvorrichtung 12 abfallenden Spannung, wenn diese nichtleitend ist, abzugreifen und diese in geeigneter Weise zu formen und damit den Energiespeicher 13c zu laden. Der Abgriff kann also der Anschluss des ersten Versorgungsschaltungsteils 13a an den ersten Anschluss 11-1 und den zweiten Anschluss 11-2 mit der dazwischen liegenden Schaltvorrichtung 12 sein.
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Wenn dagegen die zweite Leitung 2 an den dritten Anschluss 11-3 angeschlossen ist, kann ein zweiter Versorgungsschaltungsteil 13b dessen Potenzial abgreifen und aus dessen Potenzial gegenüber erstem Anschluss 11-1 oder zweiten Anschluss 11-2 die gewünschten Gleichspannungen erzeugen und damit den Energiespeicher 13c laden. Die Wahl zwischen erstem Versorgungsschaltungsteil 13a und zweitem Versorgungsschaltungsteil 13b kann implizit durch geeignete Kombination der Schaltungsteile geschehen oder kann ausdrücklich durch Umschalten zwischen ihnen anhand der Ausgabe der Anschlusserkennungsschaltung 16 erfolgen. 2 zeigt eine Kombination abgegriffener Spannungen mittels Dioden in Leitungen 13a, 13b
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Die Ansteuerschaltung 15 kann unterschiedliche Kennlinien vorhalten, was durch die Bezugsziffern 15a (Kennlinie 1) und 15b (Kennlinie 2) angedeutet ist. Die Kennlinien können als digitale Tabellen/Datenfelder implementiert sein oder können gegebenenfalls auch als analoge Kennwerte implementiert sein. eine ist für den Zweidrahtbetrieb, die andere für den Dreidrahtbetrieb ausgelegt, und eine von ihnen kann gewählt werden.
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Die Einstellungen können insgesamt so sein, dass die Leistungssteuerungsschaltung 10 entsprechend einer Zweidrahtbeschaltung (also ohne Stichleitung 2a am dritten Anschluss 11-3) arbeitet, und dass dann, wenn die Stichleitung 2a am dritten Anschluss 11-3 angeschlossen ist, auf Betrieb im Dreidrahtbetrieb umgeschaltet wird, wobei die Umschaltung das aktive Umschalten nach Maßgabe einer Ausgabe der Anschlusserkennungsschaltung erfolgen kann oder implizit, wenn die Systemkomponenten geeignet ausgelegt sind.
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2 zeigt ein etwas ausführlicheres Schaltbild, das das Nebeneinander von erstem Versorgungsschaltungsteil 13a und zweitem Versorgungsschaltungsteil 13b sowie von erstem Synchronisierungsschaltungsteil 14a und zweitem Synchronisierungsschaltungsteil 14b zeigt.
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Die elektronische Schaltvorrichtung 12 ist als Serienschaltung zweier Transistoren (ggf. (GTO-)Thyristoren, FETs, ...) 12-1 und 12-2 zwischen erstem Anschluss 11-1 und zweitem Anschluss 11-2 ausgebildet. Ein Treiber 12-3 steuert sie mit geeigneten Signalen an. Parallel zu den jeweiligen Halbleiterschaltern liegen Dioden 13-1 und 13-2, die in entgegengesetzte Richtung leitend gepolt sind. Die Dioden 13-1 und 13-2 können parasitäre Dioden der Halbleiterschalter 12-1 bzw. 12-2 sein und müssen dann nicht eigens gebaut sein. Dann ist die Verschaltung der Halbleiterschalter 12-1 und 12-2 so, dass die parasitären Dioden 13-1 und 13-2 antiparallel zueinander liegen, im gezeigten Fall Anode an Anode.
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Der erste Versorgungsschaltungsteil 13a weist in 3 einen Vollwellengleichrichter auf, der die schon genannten zwei Dioden 13-1 und 13-2 nutzt und zwei weitere Dioden 13-3 und 13-4, die in der gezeigten Ausführung Kathode an Kathode liegen und mit ihrer jeweiligen Anode an der Kathode einer der beiden zuerst genannten Dioden 13-1, 13-2 liegen. Im so entstehenden Vollwellengleichrichter aus Dioden 13-1, 13-2, 13-3 und 13-4 sind die Wechselspannungsanschlüsse mit dem ersten Anschluss 11-1 und dem zweiten Anschluss 11-2 der Leistungssteuerungsschaltung 10 verbunden. Die Gleichspannungsanschlüsse bilden Pluspol und Minuspol einer aus Vollwellengleichrichtung entstandenen pulsierenden Gleichspannungsversorgung. Die Gleichspannungsanschlüsse 13-5, 13-6 oder die Wechselspannungsanschlüsse des Vollwellengleichrichters können als Abgriff des ersten Versorgungsschaltungsteils 13a verstanden werden. Der aus den Dioden 13-1 bis 13-4 gebildete Vollwellengleichrichter liefert ein Signal hoher Amplitude mit geringem Innenwiderstand, wenn die Transistoren ausgeschaltet (hochohmig) sind, während er ein Signal deutlich geringerer Amplitude liefert, wenn die Transistoren eingeschaltet (niederohmig) sind und dadurch die Anschlüsse 11-1 und 11-2 niederohmig verbinden und annähernd kurzschließen.
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Die pulsierende Gleichspannung wird in einer Spannungsquellenschaltung 13e weiter geformt und dann auch gespeichert. Die Formung kann eine Glättung enthalten, die allerdings durch den Energiespeicher selbst erfolgen kann. Gegebenenfalls können auch Spannungswandlungen vorgesehen sein, um geeignete Potentiale zu erzeugen. In nicht gezeigter Weise (Leitungen) wird dann die erzeugte Gleichspannung den sie benötigenden Komponenten zugeführt.
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Die Energieversorgung über den Vollwellengleichrichter mit den vier Dioden 13-1 bis 13-4 hat den Vorteil, dass sie auch dann wirkt, wenn die zweite elektrische Leitung 2 nicht an den dritten Anschluss 11-3 angeschlossen ist, also in jedem Fall. Sie hat allerdings den Nachteil, dass sie nur dann Energie liefert, wenn die elektronische Schaltvorrichtung 12 ausgeschaltet (hochohmig) ist, denn wenn sie geöffnet ist, stellt dies annähernd einen Kurzschluss des Vollwellengleichrichters dar, so dass dessen Klemmen allenfalls ein Signal geringer Leistung bzw. Amplitude liefern, das jedoch noch zur Synchronisierung geeignet sein kann. Dies wiederum bedeutet, dass zur Aufrechterhaltung der Energieversorgung eine gewisse Mindest-Auszeit der elektronischen Schaltvorrichtung 12 benötigt wird, damit während dieser Auszeit genügend Energie für die interne Versorgung gesammelt werden kann. Dies wird umso merkbarer, je geringer die Leistung des an die Leistungssteuerungsschaltung angeschlossenen Verbrauchers ist. Regelmäßig führt dies dazu, dass Leistungssteuerungsschaltungen im Zweidrahtanschluss nur maximal 75% der eigentlich zur Verfügung stehenden Leistung einsteuern können. Die restlichen 25% der Periodendauer werden für die Aufrechterhaltung der internen Energieversorgung benötigt.
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Im Dreidrahtanschluss liegt die volle Wechselspannung am zweiten Versorgungsschaltungsteil 13b an, da ihm das Potential des dritten Anschlusses 11-3 zugeführt wird. Er kann eine Diode 13d aufweisen, die eine Halbwellengleichrichtung bewirkt. Die Halbwelle kann der schon genannten Spannungsquellenschaltung 13e oder einer anderen, ähnlich arbeitenden Schaltung zugeführt werden. Sie kann dort wie auch die Spannung aus dem Vollwellengleichrichter geformt und im schon genannten Speicher oder in einem weiteren Energiespeicher gespeichert werden. Die Formung kann eine Glättung enthalten, die allerdings durch den Energiespeicher selbst erfolgen kann. Gegebenenfalls können auch Spannungswandlungen vorgesehen sein, um geeignete Potentiale zu erzeugen.
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Der zweite Versorgungsschaltungsteil 13d kann daraus die nötigen Potenziale erzeugen. Es steht dann wegen dieser Anschlüsse Energie in ausreichendem Maße zur Verfügung und relative Schaltzeitbegrenzungen zur Sicherstellung der Energieversorgung treten nicht mehr auf. Es können dann auch Lasten beliebig kleiner Leistung an den Dimmer angeschlossen werden, ohne die interne Energieversorgung zu kompromittieren bzw. die Steuerbarkeit über die Maßen zu begrenzen.
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3 zeigt verschiedene Spannungsformen in der Schaltung der 2.
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3a zeigt die an der Last 3 anliegende Spannung. Die schraffierten Bereiche sind als die an-geschalteten (niederohmigen) Zeitbereiche der elektronischen Schaltvorrichtung 12 zu verstehen. In diesen Zeiten fällt die Quellspannung an der Last ab. Gezeigt ist also eine Situation, in der der Last relativ viel an Leistung zugeführt wird, vielleicht 75%. Die restlichen 25% sind am Phasenanfang weggeschnitten (Phasenanschnitt).
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3b zeigt die korrespondierende Spannung an den Gleichspannungsanschlüssen des Vollwellengleichrichters. Sie ist abgesehen von der Gleichrichtung weitgehend komplementär zur Spannung am der Last 3. Hier sind die schraffierten Zeitbereiche diejenigen, in denen Leistung für die Energieversorgung im Zweidrahtbetrieb bezogen werden kann. Es sind, wie schon gesagt, diejenigen, in denen die Halbleiterschalter ausgeschaltet (hochohmig) sind, denn andernfalls stellen sie einen die Ausgangsspannung des Vollwellengleichrichters auf Null ziehenden Kurzschluss dar. Es ist erkennbar, dass die interne Energieversorgung umso stärker sinkt, je größer die eingesteuerte Leistung werden soll, je größer also die schraffierte Fläche in 3a und je kleiner die schraffierte Fläche in 3b wird.
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3c zeigt die Synchronisierungssignalgewinnung im Zweidrahtanschluss in der Schaltung der 2. In 2 ist mit 14a der erste Synchronisierungsschaltungsteil bezeichnet, der das Synchronisierungssignal allgemein aus dem Abgriff zwischen erstem Anschluss 11-1 und zweitem Anschluss 11-2 erzeugt. Insbesondere empfängt die in 2 gezeigte Schaltung 14a die vollwellengleichgerichtete pulsierende Gleichspannung von einem der Gleichspannungsanschlüsse 13-5 oder 13-6 des Vollwellengleichrichters und hat damit ein pulsierendes Signal der doppelten Frequenz verglichen zur Nennfrequenz der anliegenden Wechselspannung. Ausgehend von den einzelnen Impulsen werden Schaltimpulse erzeugt. Insbesondere kann mit geeigneten Einrichtungen jeweils der Startzeitpunkt einer neuen, insbesondere der nächsten Halbwelle und ausgehen davon im Phasenanschnitt der neue Einschaltzeitpunkt oder im Phasenabschnitt der neue Ausschaltzeitpunkte der Ansteuerschaltung bestimmt werden.
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3d zeigt die halbwellengleichgerichtete Spannung vom dritten Anschluss 11-3 her. Anschluss 11-3 liegt auf Potential der zweiten elektrischen Leitung 2. Bezogen auf Anschluss 13-5 kann an diesem Punkt nur die positive Halbwelle „gesehen“ werden. Diese aber unabhängig vom Schalt-Zustand der ersten elektrischen Leitung 1. Die Frequenz der Halbwellen-Gleichrichtung liegt auf der Netzfrequenz, also z. B. bei 50 Hz. in einem 50Hz-Netz.
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3e zeigt die Synchronisierungssignalgewinnung im Falle des Dreidrahtanschlusses. Der zweite Synchronisierungsschaltungsteil 14b kann das am dritten Anschluss 11-3 anliegende Signal zugeführt bekommen und kann dann anhand einer Halbwelle der anliegenden Wechselspannung Synchronisationssignale erzeugen. Das Synchronisierungssignal entspricht der halbwellengleichgerichteten pulsierenden Gleichspannung am Anschluss 11-3.
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4 zeigt unterschiedliche Kennlinien 41, 42 entsprechend unterschiedlichen Signalerzeugungsroutinen 15a, 15b zur Erzeugung des Schaltersteuerungssignals. Die Kennlinien haben den gleichen Eingangswertebereich (Abszisse), aber darüber unterschiedliche Ausgangswertebereiche. Für den Zweidrahtbetrieb kann der Ausgangswertebereich kleiner sein als für den Dreidrahtbetrieb, insbesondere nach oben begrenzt.
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Angegeben ist auf der Ordinate ein relativer Zeitanteil der An-Zeit ta der Halbleiterschalter gegenüber der vorliegenden Periode mit Dauer T. Das Verhältnis kann maximal 1 entsprechend niemals ausgetasteter Leistung sein. Die Abszisse zeigt eine Sollwertvorgabe, wie sie etwa von einem Benutzer manuell eingegeben oder von einer übergeordneten Steuerung automatisch zur Verfügung gestellt wird. Der Sollwert ist auch ein relativer Anteil der maximal möglichen Leistung und bewegt sich so zwischen 0 und 1 bzw. zwischen 0 und 100% der subjektiven Sollwertvorgabe.
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Die untere Kennlinie 41 ist die im Zweidrahtanschluss verwendbare Kennlinie. Die subjektive Sollwert-Eingabe zwischen 0 und 100% wird auf eine objektive Ausgabe zwischen 0 und 75% abgebildet. Wie weiter oben erläutert, ist eine relativ höhere Leistungsdurchschaltung im Zweidrahtanschluss kaum möglich, da sonst die Energieversorgung der internen Komponenten kompromittiert wäre.
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Im Dreidrahtanschluss kann dagegen die Kennlinie 42 eingesteuert werden. Hier muss nicht der Spannungsabfall an der Schaltvorrichtung 12 genützt werden. Die Spannungsversorgung intern ist unabhängig vom Spannungsabfall an der Schaltvorrichtung, so dass die Schaltvorrichtung tatsächlich 0 bis 100% subjektiver Solleingabe auf 0 bis 100% objektiver Steuerungsausgabe abbilden kann.
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Die Kennlinien 41 und 42 können digitale Tabellen sein, die bei digital arbeitenden Steuerungen abgerufen und dementsprechend umgesetzt werden. Es kann sich aber auch um Kennlinien analoger Schaltungen handeln, falls dies gewünscht ist. In Abhängigkeit davon, ob Zweidrahtanschluss oder Dreidrahtanschluss vorliegt, wird jedenfalls eine der Kennlinien 41 bzw. 42 gewählt und dann dementsprechend die elektronische Schaltvorrichtung angesteuert.
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5 zeigt eine Anschlusserkennungsschaltung 16. Sie kann als Spannungsüberwachung des Potentials des dritten Anschlusses 11-3 gegenüber mindestens einem der anderen beiden Anschlüsse 11-1 und 11-2 ausgelegt sein. Die Spannungen an den Anschlüssen 11-1, 11-3 und 11-2 können an die Anschlusserkennungsschaltung 16 durchgereicht werden und an deren Anschlüssen 161, 163 und 162 anliegen. In einer analogen oder mindestens teilweise digital ausgebildeten Verarbeitungsschaltung 165 kann eine erste Spannungsmessschaltung 166-1 das Potential zwischen erstem Anschluss 11-1, 161 und drittem Anschluss 11-3, 163 messen.
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Damit das Potential am dritten Anschluss 11-3 dann, wenn dieser nicht angeschlossen ist, einen definierten Zustand annimmt, kann ein großer Widerstand 164 vorgesehen sein, der bei offenem, d. h. nicht angeschlossenen, Anschluss 11-3, 163 das Potential dieses Anschlusses auf das Potential des Anschlusses 161, 11-1 zieht. Wenn dann am Anschluss 11-3 keine elektrische Leitung angeschlossen ist, wird die Spannung zwischen erstem Anschluss 11-1 und drittem Anschluss 11-3 Null sein, und die erste Spannungsmessvorrichtung 166-1 wird dementsprechend Null messen und daraus schlussfolgern können, dass am dritten Anschluss 11-3 keine elektrische Leitung angeschlossen ist, also Zweidrahtanschluss vorliegt.
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Wenn dagegen die zweite elektrische Leitung 2 mit Stichleitung 2a am dritten Anschluss 11-3 angeschlossen ist, wird zwischen erstem Anschluss 11-1 und drittem Anschluss 11-3 und dementsprechend zwischen den Anschlüssen 161 und 163 der Anschlusserkennungsschaltung 16 eine elektrische Wechselspannung entstehen, die die erste Spannungsmessvorrichtung 166-1 detektiert. Sie kann dann anhand der Größe des elektrischen Signals schlussfolgern, dass Dreidrahtanschluss vorliegt. Die genannten Signalbeobachtungen und Auswertungen können auf der Gleichspannungs- oder auf der Wechselspannungsseite erfolgen, sie können im Analogen oder im Digitalen erfolgen.
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Es kann eine zweite Spannungsmessvorrichtung 166-2 vorgesehen sein, die die Spannung zwischen dem dritten Anschluss 11-3, 163 und dem zweiten Anschluss 11-2, 162 misst. Die zweite Spannungsmessvorrichtung 166-2 liefert dann ein korrespondierendes Signal, das zusammen mit dem der ersten Spannungsmessvorrichtung 166-1 ausgewertet werden kann. Es kann hierzu eine Auswerteschaltung 167 vorgesehen sein, die wieder, wie schon gesagt, digital oder analog arbeiten kann.
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Als Ausgabe der Anschlusserkennungsschaltung 16 kann wenigstens ein Ausgangssignal 168 erzeugt werden, das beispielsweise zwei Zustände annehmen kann. Der eine Zustand signalisiert Zweidrahtanschluss, der andere Dreidrahtanschluss. Dieses Signal kann den Komponenten zugeführt werden, die dies benötigen. Beispielsweise kann es als Auswahlsignal für eine der beiden Kennlinien 41 oder 42 der 4 dienen.
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Die Anschlusserkennungsschaltung 16 kann auch mehrere qualitativ gleiche, aber quantitativ unterschiedliche Signale 168-1 und 168-2 erzeugen. Am Ausgang 169-1 der Auswerteschaltung 167 kann beispielsweise ein digitales Signal 168-1 erzeugt werden, das von nachfolgenden digitalen Schaltungen als 0 bzw. 1 verwendet werden kann und dementsprechend skaliert ist. An einem zweiten Ausgang 169-2 kann ein qualitativ gleichlaufendes, aber in seiner Amplitude anderes, bspw. analoges Signal 168-2 anstehen, das am zweiten Ausgang 169-2 anliegt und das beispielsweise der Ansteuerung der Transistoren dienen kann.
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Das Signal zur Ansteuerung des Schalters 12 bzw. der Transistoren 12-1, 12-2 kann, muss aber nicht alleine von den bisher beschriebenen Signalen abgeleitet werden. Zusätzlich zu dem, was gezeigt und bisher besachrieben ist, können weitere Aspekte berücksichtigt werden, etwa die Ausregelung von Rundsteuersignalen. Die Bestimmung der konkreten Steuersignale für die Transistoren kann mittels einer in der Schaltung vorhandenen Steuerungsschaltung, bspw. einem Microcontroller, erfolgen, insbesondere im Digitalen.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1a, 1b
- erste elektrische Leitung
- 2
- zweite elektrische Leitung
- 2a
- Stichleitung
- 3
- Last
- 4
- Spannungsquelle
- 10
- Leistungssteuerungsschaltung
- 11-1 bis 11-4
- Anschlüsse
- 12
- elektronische Schaltvorrichtung
- 12-1, 12-2
- Halbleiterschalter
- 12-3
- Treiber
- 13
- Energieversorgungsschaltung
- 13a
- erster Versorgungsschaltungsteil
- 13b
- zweiter Versorgungsschaltungsteil
- 13-1 bis 13-4
- Dioden
- 13-5, 13-6
- Gleichspannungsanschlüsse des Vollwellengleichrichters
- 13c, 13d
- Dioden
- 13e
- Spannungsquellenschaltung
- 14
- Energieversorgungsschaltung
- 14a
- erster Synchronisierungsschaltungsteil
- 14b
- zweiter Synchronisierungsschaltungsteil
- 15
- Steuerungsschaltung
- 15a
- Signalerzeugungsroutine
- 15b
- Signalerzeugungsroutine
- 16
- Anschlusserkennungsschaltung
- 161-163
- Anschlüsse
- 164
- Widerstand
- 165
- Verarbeitungsschaltung
- 166-1, 166-2
- Spannungsmessschaltungen
- 167
- Auswerteschaltung
- 168-1
- digitales Signal
- 168-2
- analoges Signal
- 169-1, 169-2
- Anschlüsse
- 17
- Gehäuse
- 41
- Kennlinie 1
- 42
- Kennlinie 2
