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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ansteuern wenigstens eines Leuchtmittels, umfassend einen Busmaster, eine Mehrzahl n Bus-Slaves und eine Synchronisationseinheit, wobei jeder der n Bus-Slaves eine oder eine Mehrzahl PWM-Modulationseinheiten und eine oder eine Mehrzahl Stromquellen umfasst, und wobei jeder der n Bus-Slaves und jede der PWM-Modulationseinheiten separat und individuell durch den Busmaster ansteuerbar ist.
Weiter sind die PWM-Modulationseinheiten dazu eingerichtet mittels des Synchronisationssignals bezogen auf einen Startzeitpunkt t0 synchronisiert zu werden, wobei eine Startzeit für jede der PWM-Modulationseinheiten um einen bestimmten Zeitwert zu dem Startzeitpunkt to verschoben ist.
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Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Reduzierung eines EMV-Signals und/oder zur Reduzierung eines Flimmerns einer Mehrzahl von Leuchtmitteln mittels einer Vorrichtung zum Ansteuern wenigstens eines Leuchtmittels.
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Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren für eine Fehlerdiagnose einer Vorrichtung zum Ansteuern wenigstens eines Leuchtmittels.
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Verfahren und Vorrichtungen zur Ansteuerung einer Mehrzahl von LEDs, wobei ein Synchronisationssignal an die LEDs gesendet wird, sind beispielsweise aus der
DE 10 2016 207 734 A1 und der
DE 10 2015 118 497 A1 bekannt.
Die
DE 10 2010 000 935 A1 und die
DE 10 2009 040 283 A1 offenbaren jeweils ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung einer Mehrzahl von LEDs, wobei ein elektromagnetisches Störsignal reduziert werden soll.
Die
DE 10 2017 125 173 A1 ,
EP 3 832 417 A1 und
DE 10 2019 107 135 B3 offenbaren Verfahren für eine Fehlerdiagnose.
Die
US 9,433,048 B2 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion einer elektromagnetischen Störung einer Beleuchtungsvorrichtung mit PWM-betriebenen LEDs.
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Die LED hat die klassische Glühbirne in vielen relevanten Märkten großflächig als Leuchtmittel abgelöst.
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Aus dem Stand der Technik sind Leuchtmittel wie Leuchtdioden und Laser in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen bekannt, wobei PWM-gesteuerte Konstantstromquellen die Leuchtmittel ansteuern.
Üblicherweise speist eine Konstantstromquelle einen elektrischen Strom in das Leuchtmittel ein, wobei der elektrische Strom konstruktiv oder mittels eines Regelwertsignals auf einen vorgegebenen Stromwert eingestellt ist.
Das Leuchtmittel umfasst typischerweise eine LED oder einen LED-Strang, der eine oder mehrere in Serie geschaltete LEDs umfasst, oder eine Parallelschaltung mehrerer LED-Stränge. Eine Konstantstromquellensteuerung schaltet die Konstantstromquelle bevorzugt pulsförmig wiederholend mit einer PWM-Periode ein- und aus. Typischerweise steuert eine Kontrolleinheit die Konstantstromquellensteuerung. Bevorzugt ist die Konstantstromquellensteuerung Teil der jeweiligen PWM-Modulationseinheit, die die LED bzw. den LED-Strang mit elektrischer Energie versorgt. Wenn die Konstantstromquelle für eine PWM-Pulsdauer während einer PWM-Periode eingeschaltet ist, speist die Konstantstromquelle somit nur zu Ein-Zeiten für diese PWM-Pulsdauer diesen voreingestellten Strom in das Leuchtmittel ein. Für die übrige Aus-Zeit der PWM-Periode außerhalb der PWM-Pulsdauer speist daher typischerweise die Konstantstromquelle nur einen geringeren oder bevorzugt keinen Strom in das Leuchtmittel ein. Wenn die Konstantstromquelle während der PWM-Pulsdauer den voreingestellten elektrischen Strom in das Leuchtmittel einspeist, versorgt die Konstantstromquelle das Leuchtmittel während der PWM-Pulsdauer mit elektrischer Energie und veranlasst das Leuchtmittel somit zur Abgabe von Licht. Während der Aus-Zeit der PWM-Periode versorgt die Konstantstromquelle das Leuchtmittel mit weniger oder bevorzugt mit keiner elektrischen Energie und veranlasst das Leuchtmittel somit zur Abgabe von keinem Licht oder nur von einer geringen Lichtintensität. Bevorzugt ist das Leuchtmittel während der Aus-Zeit dunkel.
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Aktuelle Leuchtmitteltreiber verwenden PWM-Modulationseinheiten, die auf konfigurierbaren PWM-Takt-Modulationseinheiten und/oder Tastgrad-Zeitgebern (Duty-Cycle-Timern) basieren. Die PWM-Modulation der Energieversorgung der Leuchtmittel durch die besagte Konstantstromquelle weist im Sinne dieser Schrift PWM-Perioden auf, die jeweils den PWM-Pulsen zugeordnet sind. Eine solche PWM-Periode eines PWM-Pulses beginnt im Sinne dieser Schrift zeitlich mit der ansteigenden Flanke des PWM-Pulses und endet mit der ansteigenden Flanke des unmittelbar nachfolgenden PWM-Pulses der PWM-Modulation.
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Bei einer digitalen Realisierung ist die Basis einer PWM-Modulationseinheit üblicherweise ein Zähler, der mit einem PWM-Takt betrieben wird, und der zyklisch mit der momentanen PWM-Periode neu startet. Der besagte Neustart wird üblicherweise durch eine Rücksetzlogik des PWM-Zählers bei einem ersten Zählerstand des PWM-Zählers ausgelöst. Der PWM-Zähler springt dann auf den Neustartwert zurück. Beispielsweise kann der PWM-Zähler mit dem Neustart des PWM-Zählers und/oder mit dem Einnehmen des Neustartwerts des PWM-Zählers durch den PWM-Zähler die Konstantstromquelle zur Versorgung des Leuchtmittels mit elektrischer Energie einschalten. Bei einem zweiten Zählerstand, der typischerweise zwischen dem Neustartwert und dem ersten Zählerstand durch den PWM-Zähler eingenommen wird, schaltet der PWM-Zähler typischerweise die Konstantstromquelle wieder aus, sodass bis zum Erreichen des ersten Zählerstands durch den PWM-Zähler das Leuchtmittel bevorzugt kein Licht mehr abgibt. Die erste Anzahl der Zählschritte des PWM-Zählers zwischen dem Einnehmen des Neustartwerts des PWM-Zählers und dem Einnehmen des ersten Zählertands des PWM-Zählers dividiert durch den PWM-Takt entspricht typischerweise der PWM-Periode. Die zweite Anzahl der Zählschritte des PWM-Zählers zwischen dem Einnehmen des Neustartwerts des PWM-Zählers und dem Einnehmen des zweiten Zählertands des PWM-Zählers dividiert durch den PWM-Takt entspricht typischerweise der PWM-Pulsdauer.
Eine analoge Realisierung ist auch aus dem Stand der Technik bekannt. Insofern ist die im Folgenden beschrieben digitale Realisierung hier nur beispielhaft.
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Bei der Implementierung von LED-Innenlicht Anwendungen in Kraftfahrzeugen bestehend einer zentralen DC/DC-Spannungsversorgung und vielen Treiber ICs können akustische Störungen durch Bauelemente in der Spannungsversorgung (Kondensatoren, Spulen) auftreten. Diese Möglichkeit ist als regelmäßig auftretendes Problem im Markt bekannt.
Diese akustischen Störungen entstehen insbesondere durch eine variierende Last der LED-Treiber. Aufgrund der zeitlich asynchron und nicht phasensynchron mit mehr oder weniger unterschiedlicher PWM-Periode schaltenden PWM-Modulationseinheiten der vielen LED-Treiber entsteht ein zeitlich veränderlicher, durch die verschiedenen Schaltvorgänge modulierter elektrischer Strom in der Versorgungsleitung der LED-Treiber dessen Frequenz im hörbaren Bereich liegen kann und eine aufdringliche Schwebungs-Modulation bewirkt. Die besagten Bauteile wie Spulen und/oder Kondensatoren können ggf. diese Schwebungsmodulation in ein akustisches parasitäres Signal wandeln.
Dieser Stromripple kann zwar ggf. durch eine dezentrale Platzierung von Kondensatoren ein wenig verbessert werden. Diese erhöhen jedoch die Kosten und verhindern sehr kompakte Layouts.
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Ein weiteres Problem stellt ein Flimmern von PWM-angesteuerten Leuchtkörpern, insbesondere LED-Leuchtkörpern, die mehrere Leuchtmittel umfassen, dar.
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In der Fachliteratur wird zwischen dem „Flimmern“, „Flackern“, „Flicker“, „Blinken“ und „Blitzen“ von Lichtquellen unterschieden.
Unter Flackern wird eine unregelmäßige Leuchterscheinung verstanden, die sich örtlich und/oder zeitlich ändert. Das Flackern von Lampen kann seine Ursache entweder in einer unsteten Lichterzeugung (z. B. Flammen) oder einer unsteten Energiezufuhr haben. Ein ausgeprägtes Flackern zeigen alle Verbrennungslampen (Kerzen, Gaslampen), bei denen sich sowohl Flammengröße und Lichtstrom als auch Form und Lage der Flamme sporadisch ändern können. Flackern tritt aber auch bei Entladungslampen in Form des Einschaltflackerns und des Elektrodenflackerns auf. Im Unterschied zum Lichtflimmern ist das Flackern kein periodischer Vorgang.
Blinken beschreibt ein niederfrequentes periodisches Licht in einer Größenordnung von 10Hz mit einem Tastverhältnis von mehr als ca. 25%. Es wird für einen bestimmten Zweck, meist als Signal, zielgerichtet und künstlich erzeugt, wie beispielsweise bei einem KFZ-Blinker.
Als Blitzlicht bzw. Blitzen wird ein niederfrequentes periodisches Licht in einer Größenordnung von 10Hz oder aperiodisches Licht mit einem Tastverhältnis von deutlich weniger als 10% bezeichnet. Es kommt in der Natur vor, wie beispielsweise bei Gewitter, oder wird künstlich erzeugt (z.B. Blitzlicht für Fotografie, Stroboskoplicht in der Diskothek).
Als Flicker werden elektrische (unregelmäßige) Netzspannungsänderungen in Stromnetzen bezeichnet, welche zu einer visuell wahrnehmbaren Schwankung der Leuchtdichte bei ungeregelten elektrischen Leuchtmitteln wie Leuchtstoff- und Glühlampen führen. Bei ausreichend elektronisch geregelten Leuchtmitteln, wie LED-Leuchtmitteln oder Kompaktleuchtstofflampen, ist Flicker aufgrund der Vorschaltelektronik oft nicht optisch wahrzunehmen.
Im Gegensatz zum Flicker beschreibt der relativ neue Begriff „Lichtflimmern“ den periodischen Wechselanteil des real emittierten Lichts eines störungsfrei elektrisch betriebenen Leuchtmittels, der durch den Wechselanteil in der systembedingten elektrischen Versorgung (Netzfrequenz, Vorschaltelektronik) des Leuchtmittels verursacht wird. Dieser liegt größenordnungsmäßig über 35 Hz bis in den 100-kHz-Breich. Diese Eigenschaft ist also dem Leuchtmittel und dessen Ansteuerung, die Gegenstand der hier vorliegenden Offenlegung ist, zuzuschreiben und nicht dem Versorgungsnetz.
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Unter Lichtflimmern (engl. photometric flicker) - auch Temporal Light Artefact (TLA) oder Lichtmodulation genannt - versteht man dabei die schnelle Änderung (meist Luminanz) einer Leuchtquelle. Drei Effekte, die sich auch überlagern können, sind dabei zu unterscheiden:
- a. Leuchtdichte-Flimmern, das durch wechselnde Helligkeitsgrade entsteht;
- b. chromatisches Flimmern, das durch wechselnde, bzw. schwankende Lichtfarben verursacht wird; und
- c. Stroboskop-Effekt („Disco-Licht“), der durch sequenzielle Lichtblitze entsteht.
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„Flimmern“ bezeichnet von einem statischen Beobachter in einer statischen Umgebung wahrgenommene visuelle Schwankungen aufgrund eines Lichtreizes, dessen Leuchtdichte oder Spektralverteilung zeitlich schwankt. Die Schwankungen können periodisch oder nicht periodisch sein und von der Lichtquelle selbst, der Stromquelle oder anderen Einflussfaktoren hervorgerufen werden.
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„Stroboskop-Effekt“ bezeichnet die Änderung der Bewegungswahrnehmung eines statischen Beobachters in einer nicht statischen Umgebung aufgrund eines Lichtreizes, dessen Leuchtdichte oder Spektralverteilung zeitlich schwankt. Die Schwankungen können periodisch oder nicht periodisch sein und von der Lichtquelle selbst, der Stromquelle oder anderen Einflussfaktoren hervorgerufen werden.
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In der Regel ist das chromatische Flimmern bei LED-Lampen und Leuchten zu vernachlässigen. LED-Leuchtmittel sind monochromatische Lichtquellen, d. h. sie senden Licht nur in eingeschränkten Wellenlängenbereichen aus, die primär durch die innere Struktur der LED-Halbleiter bestimmt werden. Bei LED-Leuchtmitteln können das Leuchtdichte-Flimmern und der Stroboskop-Effekt dadurch entstehen, dass typischerweise ein elektronischer Treiber die lichtemittierenden Dioden (LED) ansteuert, der meist als Konstantgleichstromquelle ausgelegt ist. Die Hersteller verwenden oft aus Kostengründen einfache Schaltungen. Parallel zum Gleichstrom ist am Treiberausgang auch ein Wechselstromanteil in Folge der typischerweise verwendeten PWM-Modulation des LED-Stromes vorhanden. Auch der Wechselstromanteil wird über die LED in eine Amplitudenmodulation des Lichts umgewandelt und überlagert das „saubere“ Amplitudengleichsignal des Lichts, das der Mensch bewusst wahrnimmt.
Ursachen von Flimmern können zudem auch Kompatibilitätsprobleme mit Dimm- und Steuerschaltkreisen sein.
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Das Lichtflimmern von Lichtquellen hat weitreichende Auswirkungen auf einen Organismus. Das Sonnenlicht als natürliche Lichtquelle bietet ein flimmerfreies Licht. Im Laufe der Evolution mussten Lebewesen somit keine Maßnahmen zur Kompensation von Flimmern im Licht entwickeln. Das Lichtflimmern von künstlichen Lichtquellen belastet das Nervensystem von Lebewesen, sowohl von Menschen wie auch Nutztieren und setzt somit den menschlichen und tierischen Körper unter Stress.
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Das Lichtflimmern wird teilweise bewusst, meistens aber unbewusst wahrgenommen. Das heißt, dass das Lichtflimmern oft gar nicht aktiv vom Betrachter wahrgenommen wird, was aber nicht bedeutet, dass dieses Flimmern keine biologischen Auswirkungen hat. Tatsächlich hat ein Lichtflimmern zahlreiche negative Auswirkungen, die sich aber bei jedem Lebewesen unterschiedlich auswirken können. Es findet ein Anpassungsprozess statt, der das Gehirn und die Muskeln belastet. So kann das Lichtflimmern auf Organe, wie beispielsweise auf die Augen und das Gehirn Einfluss haben. Ebenso kann das Lichtflimmern aber auch auf Hormone, neurologische Abläufe, Koordination, Stoffwechsel, Glukoseverbrauch und kapillaren Blutfluss beeinflussen.
Das menschliche Auge bemerkt nämlich trotzdem vor allem im peripheren Sehen die Schwankungen der Helligkeit unterbewusst. Diese peripheren Bereiche des Auges verfügen bevorzugt über sehr lichtempfindliche schnelle Schwarz/Weiß-Rezeptoren, um den Menschen vor plötzlichen Angriffen von Fressfeinden zu schützen. Ohne sich des Flimmerns bewusst zu sein, können bei entsprechend sensiblen Personen deshalb Symptome wie Kopfschmerzen, Müdigkeit, Erschöpfung, Migräne, Schlafstörungen, autistisches Verhalten, Konzentrationsprobleme und schlimmstenfalls sogar epileptische Anfälle auftreten, wenn sie dem flimmerndem LED-Licht solcher LED-Leuchtmittel ausgesetzt sind.
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Die Anforderungen bezüglich des Flimmeranteils von LED-Lampen und Leuchten sind typischerweise abhängig vom Einsatzgebiet.
Während beispielsweise für Straßenbeleuchtungen eine geringe Anforderung bezüglich des Flimmeranteils der Beleuchtung vorliegen, ist insbesondere in Bereichen, wie beispielsweise Aufenthaltsorten von Kindern (z.B. Kindergärten, Schulen), Arbeitsplätzen (z.B. Büros), sowie bei Innenraumbeleuchtungen in Gebäuden darauf zu achten, dass LED-Lampen und Leuchten mit einem geringen Flimmeranteil eingesetzt werden.
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Ein Flimmern oder ein Stroboskop-Effekt von LED-Leuchten kann ebenso in Innenräumen von Fahrzeugen, insbesondere den Innenräumen von PKW, Bussen und den Fahrerzellen von LKW und dergleichen zu Problemen führen.
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In der Tierhaltung können die Auswirkungen durch Lichtflimmern deutlich extremer ausfallen. Hühner reagieren zum Beispiel viel empfindlicher als der Mensch auf einen erhöhten Flimmeranteil im Licht. Die ursächliche Wirkung auf eine verringerte Legeleistung und/oder ein geringeres Wachstum konnte wissenschaftlich nachgewiesen werden.
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Schon heute geben technische Regeln für Arbeitsstätten (ASR) gemäß der ASR A3.4 bezüglich des Lichtflimmerns Randbedingungen für die Beleuchtung vor. So ist vorgeschrieben, dass ein Flimmern oder eine Pulsation nicht zu Unfallgefahren (z. B. durch stroboskopischen Effekt) oder Ermüdung führen darf.
Dies kann z.B. durch den Einsatz von elektronischen Vorschaltgeräten oder durch Drei-Phasen-Schaltung verhindert werden.
Als Arbeitsplätze können dabei auch die Innenräume von Kraftfahrzeugen angesehen werden.
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Eine flimmerfreie Beleuchtung ist bei Tätigkeiten am Arbeitsplatz mit beweglichen Teilen besonders wichtig. Gemäß der DIN EN 12464-1 können Stroboskopeffekte bei Tätigkeiten am Arbeitsplatz gefährliche Situationen erzeugen, weil sie die Wahrnehmung rotierender oder sich hin und her bewegender Teile vollkommen verändern. Dementsprechend können solche Stroboskopeffekte die Arbeitssicherheit gefährden.
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Die Verordnung (EU) 2019/2020 der Kommission (ABI. der EU, L315/209) vom 1. Oktober 2019, die am 5. Dezember 2019 veröffentlicht wurde und im September 2021 in Kraft treten soll, beinhaltet erstmals spezifische Vorgaben und Grenzwerte für das Lichtflimmern von Leuchtmitteln mit dem Ziel die gesundheitlichen Folgen des LED-Flimmerns einzudämmen, will zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser Schrift die EU eine neue EU-Ökodesign-Verordnung für Lichtquellen verabschieden, die im September 2021 in Kraft treten soll. Diese Verordnung beinhaltet erstmals spezifische Vorgaben und Grenzwerte für das Flackern von Leuchtmitteln.
Die in dieser EU-Verordnung verwendete Messgröße für das Flimmern ist der genormte Parameter „Pst LM“, wobei „st“ für „Kurzzeit“ (short term) und „LM“ für „Licht-Flimmermessmethode“ (light flickermeter method) steht. Der Wert Pst LM=1 bedeutet, dass ein durchschnittlicher Beobachter das Flimmern mit einer Wahrscheinlichkeit von 50% erkennt.
Die in dieser EU-Verordnung verwendete Messgröße für den Stroboskop-Effekt ist die genormte Größe „SVM“ (stroboscopic visibility measure). SVM=1 ist die Sichtbarkeitsschwelle für einen durchschnittlichen Beobachter.
Das PstLM-Messverfahren deckt einen Frequenzbereich bis 50Hz ab, während das SVM-Messverfahren einen Frequenzbereich von 80Hz bis 2 kHz abdeckt.
Mit Ausnahme für Anwendungen im Freien, für Industrieanlagen und sonstige Anwendungen, in denen die Beleuchtungsnormen einen CRI<80 ermöglichen, gilt gemäß der EU-Verordnung 2019/2020 für LED-Lichtquellen ab September 2021 die Anforderung von Pst LM ≤ 1,0 bei Volllast bzgl. des Flimmerns und SVM ≤ 0,4 bei Volllast bzgl. des Stroboskop-Effekts. Diese Grenzwerte dürfen eine Prüftoleranz von 10% nicht übersteigen.
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Ebenso sieht die Tierschutz-Nutztierhaltungsverordnung (TierSchNutztV) eine Reduktion des Lichtflimmerns insofern vor, dass bei Geflügel in Ställen das für die tägliche Beleuchtungsintensität und Beleuchtungsdauer für die Deckung der ihrer Art entsprechenden Bedürfnisse verwendete künstliche Licht flackerfrei entsprechend dem tierartspezifischen Wahrnehmungsvermögen sein muss.
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Ein Dimmen von LED-Lampen und Leuchten verändert den Flimmeranteil typischerweise deutlich. Bei der Lichtstromsteuerung durch Pulsweitenmodulation (PWM) wechselt die Spannung mit der eine Ansteuerschaltung die LED-Leuchtmittel betreibt, zwischen zwei Werten. Dabei moduliert die Ansteuerschaltung typischerweise bei konstanter PWM-Frequenz den Tastgrad eines Rechteckpulses zur Einstellung der Helligkeit. Schon bei einem leichten Dimmen erzeugt das LED-Leuchtmittel in Folge dieser Ansteuerung somit einen hohen Flimmeranteil. Das führt schon bei einer leichten Reduktion der Luminanz zu ungünstigen Flickerwerten.
Idealerweise sollte somit bei Arbeitsbeleuchtungen immer die Helligkeit auf den Maximalwert eingestellt werden. Optimal wäre aber eine Amplitudendimmung mit einer „sauberen“ wechselspannungsanteilsfreien Gleichspannung. Dann bleibt der sehr geringe Flimmeranteil auch bei verändertem Lichtstrom konstant. In der Praxis würden solche reinen steuerbaren Gleichstromquellen aber große und teure Energiespeicher erfordern.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach, eine Lösung für eine verbesserte Vorrichtung zum Ansteuern von Leuchtmitteln bereitzustellen, die ein Auftreten akustischer Störungen unterbindet, sowie eine Lösung bereitzustellen, mittels der ein Flimmern einer Leuchtmittelapplikation reduziert wird, wobei die Lösung eine kompakte Bauweise ermöglichen und kostengünstig sein soll und keine großen technischen Änderungen bisheriger Vorrichtungen zum Ansteuern von Leuchtmitteln bedeuten soll.
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Zur Lösung der Aufgabe schlägt diese Schrift eine Vorrichtung zur Ansteuerung von Leuchtmitteln, sowie ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen vor.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung, sowie den Figuren zu entnehmen.
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Die vorgeschlagene Lösung sieht eine Vorrichtung zum Ansteuern wenigstens eines Leuchtmittels vor, umfassend einen Busmaster, einen oder eine Mehrzahl von n Bus-Slaves, mindestens zwei Stromquellen und eine Synchronisationseinheit.
Insbesondere umfasst der Busmaster die Synchronisationseinheit.
Insbesondere umfasst jeder der n Bus-Slaves eine oder eine Mehrzahl PWM-Modulationseinheiten und eine oder eine Mehrzahl der Stromquellen.
Insbesondere ist jeder der n Bus-Slaves und jede der PWM-Modulationseinheiten separat und individuell durch den Busmaster ansteuerbar.
Insbesondere ist jeder der PWM-Modulationseinheiten je eine der Stromquellen zugeordnet. Insbesondere ist jede der Stromquellen dazu eingerichtet in Abhängigkeit eines periodischen PWM-Ausgangssignals der ihr zugeordneten PWM-Modulationseinheit ein Leuchtmittel mit elektrischer Energie zu versorgen.
Insbesondere weist das jeweilige PWM-Ausgangssignal einer jeden PWM-Modulationseinheit einen PWM-Puls mit einer ansteigenden Flanke und einer abfallenden Flanke auf.
Insbesondere ist der Busmaster dazu eingerichtet ein Synchronisationssignal an die Bus-Slaves und/oder die PWM-Modulationseinheiten zu senden, um einen gemeinsamen Startzeitpunkt to zu signalisieren.
Insbesondere sind die Bus-Slaves und die PWM-Modulationseinheiten dazu eingerichtet mittels des Synchronisationssignals bezogen auf den Startzeitpunkt t0 synchronisiert zu werden.
Insbesondere ist eine Startzeit für jede der PWM-Modulationseinheiten um einen bestimmten Zeitwert zu dem Startzeitpunkt t0 verschoben.
Insbesondere ist das PWM-Ausgangssignal jeder der PWM-Modulationseinheiten entsprechend der Verschiebung der Startzeit für die jeweilige PWM-Modulationseinheit verschoben.
Insbesondere sind die PWM-Ausgangssignale der jeweiligen PWM-Modulationseinheiten derart zeitlich zueinander verschoben, dass mindestens zwei der ansteigenden Flanken und abfallenden Flanken der PWM-Pulse zueinander zeitlich verschoben sind.
Insbesondere sind die PWM-Ausgangssignale der jeweiligen PWM-Modulationseinheiten derart zeitlich zueinander verschoben, dass ein EMV-Signal und/oder ein Flimmern einer Leuchtmittel-Applikation, umfassend eine Mehrzahl des Leuchtmittels, reduziert ist.
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Durch die Synchronisation der Bus-Slaves und/oder PWM-Modulationseinheiten auf den Startzeitpunkt to wird ein Bezugszeitpunkt eingestellt, bezüglich dem die Startzeit jeder einzelnen PWM-Modulationseinheit derart individuell verschoben werden kann, dass die Startzeiten mindestens zwei der PWM-Modulationseinheiten derart zueinander verschoben sind, dass die ansteigenden Flanken und abfallenden Flanken der PWM-Pulse der mindestens zwei PWM-Modulationseinheiten zueinander zeitlich verschoben sind.
Insbesondere sind die ansteigenden Flanken und abfallenden Flanken der PWM-Pulse aller von dem Busmaster angesteuerten PWM-Modulationseinheiten zueinander zeitlich verschoben.
Insbesondere handelt es sich bei den PWM-Modulationseinheiten um digitale PWM-Modulationseinheiten.
Insbesondere handelt es sich bei den PWM-Modulationseinheiten um analoge PWM-Modulationseinheiten.
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In einer Ausgestaltung ist der Busmaster dazu eingerichtet ist ein Broadcast-Signal an die Bus-Slaves und/oder die PWM-Modulationseinheiten zu senden.
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Insbesondere umfasst das Broadcast-Signal das Synchronisationssignal.
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Insbesondere umfasst das Broadcast-Signal ein Startsignal, und/oder ein Adressfeld, zum Adressieren eines oder einer Mehrzahl der Bus-Slaves, und/oder ein Prüffeld, und/oder ein Datenfeld, und/oder ein Stoppfeld.
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Insbesondere ist der Busmaster dazu eingerichtet das Synchronisationssignal mit einem bestimmten Zeitintervall wiederholend an die Bus-Slaves und/oder die PWM-Modulationseinheiten zu senden.
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In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung ein Messgerät. Insbesondere ist das Messgerät dazu eingerichtet einen Messwert für einen Strom in einer Versorgungsleitung der Stromquellen zu erfassen. Insbesondere ist das Messgerät dazu eingerichtet einen Messwert für eine Spannung in der Versorgungsleitung der Stromquellen gegenüber einem Bezugspotenzial zu erfassen.
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Insbesondere ist der Busmaster dazu eingerichtet, das Synchronisationssignal in Abhängigkeit des Messwerts zu senden.
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Insbesondere ist der Busmaster dazu eingerichtet, das Synchronisationssignal in Abhängigkeit eines Wechselsignals des Messwerts zu senden.
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In einer Ausgestaltung ist die Vorrichtung dazu eingerichtet das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Synchronisationssignalen in Abhängigkeit eines effektiven Werts des Wechselsignals derart einzustellen, dass der effektive Wert des Wechselsignals kleiner oder gleich einen vorgegebenen Soll-Wert ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist der Busmaster dazu eingerichtet das Synchronisationssignal zu senden, wenn eine Abweichung des effektiven Werts des Wechselsignals zu einem vorgegebenen Komparationswert einen bestimmten ersten Schwellwert überschreitet.
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In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Synchronisationseinheit eine Mehrzahl von Filtern und einen Synchronisationskomparator.
Insbesondere ist der Busmaster dazu eingerichtet ist in Abhängigkeit eines von dem Synchronisationskomparator gesendeten Komparator-Signals das Synchronisationssignal zu senden.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist der Busmaster dazu eingerichtet das Synchronisationssignal mit dem bestimmten Zeitintervall wiederholend zu senden.
Insbesondere stellt ein neuronales Netzwerkmodell das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Synchronisationssignalen ein.
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Insbesondere ist der Busmaster dazu eingerichtet unter Verwendung eines Merkmalsvektors das neuronale Netzwerkmodell auszuführen.
Insbesondere ist der Merkmalsvektor durch einen zeitlichen Verlauf des Messwerts bestimmt.
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Durch eine Synchronisation mittels eines neuronalen Netzwerkmodells kann eine Qualität Synchronisation der PWM-Modulationseinheiten geregelt werden.
Insbesondere erzeugt das neuronale Netzwerkmodell eine Signalisierung, die dem Komparator-Signal in seiner Wirkung entspricht, wenn das neuronale Netzwerkmodell eine unzureichende Qualität der Synchronisation der PWM-Modulationseinheiten erkennt.
Insbesondere ändert der Busmaster daraufhin die Einschaltzeiten der PWM-Pulse durch die PWM-Modulationseinheiten innerhalb der PWM-Perioden. Insbesondere bestimmt somit der Busmaster Einschaltzeiten der PWM-Pulse durch die PWM-Modulationseinheiten innerhalb der PWM-Perioden in Abhängigkeit eines Ausgangssignals des neuronalen Netzwerkmodells. Zusätzlich oder alternativ sendet der Busmaster das Synchronisationssignal.
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Insbesondere ändert der Busmaster daraufhin die zeitlichen Perioden zur Aussendung des Synchronisationssignals in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal des neuronalen Netzwerkmodells. Zusätzlich oder alternativ sendet der Busmaster das Synchronisationssignal mit einer zeitlichen Periode, die von einem oder mehreren Ausgangsignalen des neuronalen Netzwerkmodells abhängt. Bei Signalen im Sinne dieser Schrift kann es sich auch um Variablen eines Programms eines Prozessors handeln.
Zusätzlich oder alternativ sendet der Busmaster das Synchronisationssignal in Abhängigkeit des Ausgangsignals des neuronalen Netzwerkmodells.
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Eine unzureichende Qualität der PWM-Modulationseinheiten zeigt sich insbesondere dadurch, dass das Spektrum des Wechselsignalanteils des zeitlichen Verlaufs des Messwertsignals aus den Messwerten MW in bestimmten Frequenzbereichen eine Amplitude aufweist, die oberhalb einer erlaubten Maximalamplitude liegt und/oder dass der Effektivwert des Wechselsignalanteils des zeitlichen Verlaufs des Messwertsignals aus den Messwerten MW oberhalb einer erlaubten Maximalamplitude liegt.
Bevorzugt basiert der Merkmalsvektor, den der Prozessor des Busmasters typischerweise zum Speisen des neuronalen Netzwerkmodells verwendet, von dem Spektrum und/oder dem Effektivwert des besagten Wechselsignalanteils ab.
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In einer Ausgestaltung ist der Busmaster dazu eingerichtet eine Einschaltzeit des PWM-Pulses des PWM-Ausgangssignals mindestens einer der PWM-Modulationseinheiten innerhalb einer PWM-Periode in Abhängigkeit eines Ausgangssignals des neuronalen Netzwerkmodells zu bestimmen. Insbesondere korreliert die Einschaltzeit mit der ansteigenden Flanke oder der abfallenden Flanke des PWM-Pulses.
Insbesondere entspricht die PWM-Periode einer Zeitspanne zwischen den ansteigenden/abfallenden Flanken zweier aufeinanderfolgender PWM-Pulse.
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In einer Ausgestaltung ist die Vorrichtung dazu eingerichtet eine Fehler-Diagnose unter Verwendung des effektiven Werts des Wechselsignals durchzuführen.
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Insbesondere ist der Busmaster dazu eingerichtet eine Selbstdiagnose durchzuführen.
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Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Reduzierung eines EMV-Signals und/oder zur Reduzierung eines Flimmerns einer Mehrzahl von Leuchtmitteln, mittels der oben beschriebenen Vorrichtung.
Insbesondere ist jeweils eine Stromquelle einer Mehrzahl von Stromquellen jeweils einer PWM-Modulationseinheit einer Mehrzahl von PWM-Modulationseinheiten zugeordnet.
Insbesondere versorgt je eine der Stromquellen in Anhängigkeit eines PWM-Ausgangssignals der ihr zugeordneten PWM-Modulationseinheit ein Leuchtmittel der Mehrzahl von Leuchtmitteln mit elektrischer Energie.
Insbesondere weist das PWM-Ausgangssignal der jeweiligen PWM-Modulationseinheit (PWM) einen PWM-Puls mit einer ansteigenden Flanke und einer abfallenden Flanke auf.
Insbesondere sendet der Busmaster das Synchronisationssignal an einen oder eine Mehrzahl der Bus-Slaves (BS) und/oder PWM-Modulationseinheiten.
Insbesondere synchronisiert das Synchronisationssignal die von dem Busmaster adressierten Bus-Slaves (BS) und/oder PWM-Modulationseinheiten bezogen auf den Startzeitpunkt to.
Insbesondere ist die Startzeit für jede der PWM-Modulationseinheiten um einen bestimmten Zeitwert zu dem Startzeitpunkt to verschoben.
Insbesondere ist das PWM-Ausgangssignal jeder der PWM-Modulationseinheiten entsprechend der Verschiebung der Startzeit für die jeweilige PWM-Modulationseinheit zeitlich verschoben. Insbesondere sind die PWM-Ausgangssignale der jeweiligen PWM-Modulationseinheiten derart zeitlich zueinander verschoben, dass zumindest zwei der ansteigenden Flanken und abfallenden Flanken der PWM-Pulse zueinander zeitlich verschoben sind.
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In einer Ausgestaltung sendet der Busmaster das Broadcast-Signal an die Bus-Slaves und/oder die PWM-Modulationseinheiten.
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In einer Ausgestaltung sendet der Busmaster das Synchronisationssignal wiederholend mit einem bestimmten Zeitintervall.
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In einer Ausgestaltung sendet der Busmaster das Synchronisationssignal in Abhängigkeit des von dem Messgerät gemessenen Messwerts für den Strom in der Versorgungsleitung der mindestens einen Stromquelle. Zusätzlich oder alternativ sendet der Busmaster das Synchronisationssignal in Abhängigkeit des von dem Messgerät gemessenen Messwerts für die Spannung in der Versorgungsleitung der mindestens einen Stromquelle gegenüber dem Bezugspotential.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Synchronisationssignalen abhängig von dem effektiven Wert des Wechselsignals des Messwerts derart eingestellt, dass der effektive Wert des Wechselsignals einem vorgegebenen Soll-Wert entspricht oder unterschreitet.
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In einer weiteren Ausgestaltung sendet der Busmaster das Synchronisationssignal sendet, wenn die Abweichung des effektiven Werts des Wechselsignals zu dem vorgegebenen Komparationswert den bestimmten ersten Schwellwert überschreitet.
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In einer weiteren Ausgestaltung filtert ein erster Filter ein Gleichsignal aus dem Messwert heraus und lässt das Wechselsignal des Messwerts passieren.
Insbesondere dient das Wechselsignal als Eingangssignal für einen zweiten Filter.
Insbesondere wandelt der zweite Filter das Wechselsignal in ein Gleichrichter-Ausgangssignal um. Insbesondere dient das Gleichrichter-Ausgangssignal als Eingangssignal für einen dritten Filter. Insbesondere gibt der dritte Filter einen Gleichsignalanteil des Gleichrichter-Ausgangssignals aus. Insbesondere vergleicht der Synchronisationskomparator den Gleichsignalanteil mit dem vorgegebenen Komparationswert.
Insbesondere sendet der Synchronisationskomparator das Komparator-Signal an einen inneren Busmaster des Busmasters, wenn eine Differenz zwischen dem Gleichsignalanteil zu dem Komparationswert größer ist als der erste Schwellwert.
Insbesondere sendet der Busmaster das Synchronisationssignal, wenn der innere Busmaster das Komparator-Signal empfängt.
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In einer Ausgestaltung wird das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Synchronisationssignalen durch das neuronale Netzwerkmodell eingestellt.
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Insbesondere dient ein zeitlicher Verlauf des Messwerts als Eingangssignal für eine Merkmalsvektorextraktion.
Insbesondere liefert die Merkmalsvektorextraktion ein Merkmalsvektorsignal.
Insbesondere umfasst ein Eingangssignal für das neuronale Netzwerkmodell das Merkmalsvektorsignal.
Insbesondere entspricht das Merkmalsvektorsignal dem Eingangssignal für das neuronale Netzwerkmodell.
Insbesondere führt der Busmaster das neuronale Netzwerkmodell aus.
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In einer Ausgestaltung bestimmt der Busmaster eine Einschaltzeit des PWM-Pulses des PWM-Ausgangssignals mindestens einer der PWM-Modulationseinheiten innerhalb einer PWM-Periode in Abhängigkeit des Ausgangssignals des neuronalen Netzwerkmodells.
Insbesondere korreliert die Einschaltzeit mit der ansteigenden Flanke oder der abfallenden Flanke des PWM-Pulses.
Insbesondere entspricht die PWM-Periode einer Zeitspanne zwischen den ansteigenden/abfallenden Flanken zweier aufeinanderfolgender PWM-Pulse.
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Durch dieses Verfahren, mittels dem die PWM-Ausgangssignale der Mehrzahl von PWM-Modulationseinheiten synchronisiert werden, wird ein EMV-Signal, welches zu akustischen Störungen führen kann, und/oder ein Flimmern der Leuchtmittel einer Leuchtmittel-Applikation, welche eine Mehrzahl von Leuchtmittel umfasst, reduziert.
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Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren für eine Fehlerdiagnose der Vorrichtung. Insbesondere erfasst das Messgerät den Messwert für den Strom in der Versorgungsleitung der Mehrzahl Stromquellen. Zusätzlich oder alternativ erfasst das Messgerät den Messwert für die Spannung in der Versorgungsleitung der Mehrzahl Stromquellen gegenüber einem Bezugspotenzial. Insbesondere ist jeweils eine oder eine Mehrzahl der Stromquellen in je einem der Bus-Slaves der Mehrzahl von n Bus-Slaves integriert.
Insbesondere steuert je eine PWM-Modulationseinheit je eine der Stromquellen an.
Insbesondere diagnostiziert der Busmaster der Vorrichtung einen Fehler, wenn der effektive Wert eines Wechselsignals des Messwerts einen bestimmten zweiten Schwellwert überschreitet.
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In einer Ausgestaltung sendet der Busmaster das Synchronisationssignal, wenn der Busmaster den Fehler diagnostiziert. Anschließend überprüft der Busmaster, ob der Fehler weiterhin vorliegt. Bei weiterem Vorliegen des Fehlers, werden folgende Verfahrensschritte iterativ, bis kein Fehler mehr vorliegt:
- • Ausschalten eines x-ten Bus-Slaves der n Bus-Slaves, während die übrigen n-1 Bus-Slaves angeschaltet bleiben;
- • optional Senden eines weiteren Synchronisationssignals;
- • Überprüfen, ob der Fehler weiterhin vorliegt;
- • bei weiterem Vorliegen des Fehlers, Anschalten des x-ten Bus-Slaves und Ausschalten eines der übrigen n-1 Bus-Slaves;
- • optional Senden eines weiteren Synchronisationssignals;
- • Überprüfen, ob der Fehler weiterhin vorliegt.
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Liegt kein Fehler mehr vor, so ist der Bus-Slave, der zu dem Zeitpunkt an dem kein Fehler mehr vorliegt, ausgeschaltet ist, fehlerhaft.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird das oben beschriebene iterative Verfahren anstelle für die Bus-Slaves äquivalent für die Mehrzahl PWM-Modulationseinheiten der Vorrichtung durchgeführt. Liegt kein Fehler mehr vor, so ist die PWM-Modulationseinheit, die zu dem Zeitpunkt an dem kein Fehler mehr vorliegt, ausgeschaltet ist, fehlerhaft.
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In einer weiteren Ausgestaltung führt der Busmaster einen Selbstdiagnosetest durch. Hierzu kann der Busmaster beispielsweise das Spektrum des zeitlichen Verlaufs des Messwerts ermitteln und mit einem maximalen und ggf. mit einem minimalen Spektrum vergleichen. Liegt das ermittelte Spektrum in einem vorgegebenen Frequenzbereich nicht zwischen dem maximalen und minimalen Spektrum oder überschreiten die Abweichungen vorgegebene Maße, so schließt der Busmaster auf einen Fehler und signalisiert diesen bevorzugt.
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Vorteil der Erfindung ist, dass ein EMV-Signal und/oder ein Flimmern von Leuchtmitteln reduziert wird, indem der Busmaster ein Synchronisationssignal sendet und somit die Bus-Slaves und/oder PWM-Modulationseinheiten synchronisiert.
Hierbei synchronisiert der Busmaster die Bus-Slaves und/oder die PWM-Modulationseinheiten durch Senden eines sich mit einem bestimmten Zeitintervall wiederholenden Synchronisationssignals und/oder eines durch ein oder eine Mehrzahl an den Busmaster gesendetes Eingangssignal bestimmten Synchronisationssignals.
Durch diese digitale Synchronisation durch den Busmaster kann eine sehr kompakte Bauweise der Vorrichtung erzielt werden.
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Bevorzugt steuert die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Mehrzahl von Leuchtmitteln, insbesondere eine Mehrzahl von LEDs, an.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann jedoch auch zur Ansteuerung anderer elektronischer Bauteile verwendet werden.
Ein Leuchtmittel kann auch ein anderer elektrischer Verbraucher sein.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Merkmale und Funktionen der Erfindung sind in Zusammenhang mit den in den Figuren gezeigten Beispielen erklärt. Hierbei zeigt:
- 1 schematische Darstellung des Aufbaus der Vorrichtung zur Ansteuerung eines oder mehrerer Leuchtmittel;
- 2 Modulation eines PWM-Ausgangssignals einer PWM-Modulationseinheit;
- 3 Einfluss der PWM-Ausgangssignale auf einen Strom in der Versorgungsleitung; und
- 4 schematische Darstellung der Synchronisationseinheit der Vorrichtung.
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines oder mehrerer Leuchtmittel, insbesondere LEDs, bereitgestellt. Die Vorrichtung kann jedes Leuchtmittel individuell ansteuern.
Ein Bus-Master kann über Datenleitungen die Anschaltzeiten und Abschaltzeiten für jedes individuelle Leuchtmittel separat programmieren. PWM-Modulationseinheiten dimmen dabei die Leuchtmittel individuell. Insbesondere synchronisiert die erfindungsgemäße Vorrichtung die PWM-Frequenzen miteinander, wobei die PWM-Frequenzen dem Kehrwert einer PWM-Periode entsprechen.
Mittels der Synchronisation der PWM-Frequenzen reduziert die Vorrichtung ein EMV-Signal, welches zu akustischen Störungen führen kann, und/oder ein Flimmern einer Mehrzahl von durch die Vorrichtung angesteuerter Leuchtmitteln, sodass eine gesundheitliche Beeinträchtigung verhindert wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus der erfindungsgemäßen Vorrichtung V zur Ansteuerung eines oder mehrerer Leuchtmittel LED1.1 bis LEDn.k.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Leuchtmittel LEDs.
Die Vorrichtung V umfasst einen Busmaster BM, sowie eine Mehrzahl n Bus-Slaves BS1 bis BSn. Datenleitungen verbinden die Bus-Slaves BS1 bis BSn jeweils über eine Schnittstelle S1 bis Sn seriell mit dem Busmaster BM.
Eine nicht gesondert eingezeichnete Energieversorgung versorgt die Bus-Slaves BS mit Energie. Die Energieversorgung kann Teil des Busmasters BM oder eines Schaltreglers SR sein.
Jeder Bus-Slave BS umfasst jeweils eine oder mehrere konfigurierbarere PWM-Modulationseinheiten PWM, sowie eine oder mehrere Stromquellen IQ, wobei genau je eine Stromquelle IQ mit genau je einer PWM-Modulationseinheit PWM verbunden ist. Jede der Stromquellen IQ versorgt genau je eine LED mit elektrischer Energie. Bei einer solchen genau einen LED im Sinne dieser 1 kann es sich um eine einzelne LED oder um eine Serienschaltung mehrerer LEDs oder um eine Parallelschaltung derselben handeln.
Jede PWM-Modulationseinheit PWM erzeugt entsprechend einer Adressierung durch den Busmaster BM ein PWM-Ausgangssignal. Das PWM-Ausgangssignal schaltet die mit der entsprechenden PWM-Modulationseinheit PWM verbundenen Stromquelle IQ. Die Stromquelle IQ versorgt entsprechend dem PWM-Ausgangssignal die zugehörige LED mit elektrischer Energie. Die Versorgung der LEDs mit elektrischer Energie ist somit in Abhängigkeit von dem PWM-Ausgangssignal PWM-moduliert.
Ein Schalt-Regler SR reduziert den Spannungsabfall über die Stromquellen. Er dient zum Schutz vor einer Überlastung der Stromquellen IQ1.1 bis IQn.k infolge einer zu großen Stromquellenbetriebsspannung, die zu einer ungewollten Temperaturerhöhung der Stromquellentransistoren der Stromquellen IQ1.1 bis IQn.k führt.
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Alternativ zu dem Schalt-Regler SR können auch andere Spannungswandler, wie beispielsweise ein Linearregler, Abwärtswandler, ein Aufwärtswandler, ein Mehrquadrantenwandler oder dergleichen verwendet werden. Der Spannungswandler reduziert einen Spannungsabfall über die Stromquellen IQ.
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Ein Messgerät M kann einen Stromwert in einer Versorgungsspannung und/oder einen Spannungswert des Potenzials einer Versorgungsleitung VL der Stromquellen IQ gegenüber einem Bezugspotenzial GND ermitteln. Das Messgerät M kann sich außerhalb des Busmasters BM befinden oder Teil des Busmasters BM sein.
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Das jeweilige PWM-Ausgangssignal einer jeweiligen PWM-Modulationseinheit PWM weist in normalen Betriebsfällen typischerweise PWM-Perioden auf, die jeweils PWM-Pulsen der zugehörigen PWM-Modulationseinheit PWM zugeordnet sind.
Ein PWM-Puls weist jeweils eine ansteigende Flanke und eine abfallende Flanke auf.
Eine PWM-Periode eines PWM-Pulses beginnt zeitlich mit der ansteigenden Flanke des PWM-Pulses und endet mit der ansteigenden Flanke des unmittelbar nachfolgenden PWM-Pulses der PWM-Modulation.
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Basis jeder der PWM-Modulationseinheiten PWM ist in der beispielhaften digitalen Realisierung ein in der PWM-Modulationseinheit integrierter Zähler, der mit einem von einem Taktgenerator vorgegebenen PWM-Takt betrieben wird, und der zyklisch mit der momentanen PWM-Periode neu startet, wie in 2 dargestellt.
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Der Neustart einer PWM-Periode wird durch eine Rücksetzlogik des PWM-Zählers bei einem ersten Zählerstand I des PWM-Zählers ausgelöst, sodass der PWM-Zähler auf den Neustartwert 0 zurückspringt.
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Mit dem Neustart des PWM-Zählers der PWM-Modulationseinheit und/oder mit dem Einnehmen des Neustartwerts 0 des PWM-Zählers durch den PWM-Zähler startet eine PWM-Periode. Zu dem Zeitpunkt, zu dem der PWM-Zähler einen Neustartwert 0 einnimmt, weist der PWM-Puls der startenden PWM-Periode eine ansteigende Flanke auf. Mittels des dazu korrelierenden PWM-Ausgangssignals schaltet die PWM-Modulationseinheit die zugeordnete Stromquelle zur Versorgung der entsprechenden LED mit elektrischer Energie ein. Diese Schrift bezeichnet die Zeitabschnitte, zu denen der PWM-Puls eine ansteigende Flanke aufweist, nachfolgend als Einschaltzeit.
Bei einem zweiten Zählerstand II, den der PWM-Zähler zwischen dem Neustartwert 0 und dem ersten Zählerstand I einnimmt, weist der PWM-Puls eine abfallende Flanke auf. Entsprechend dem korrelierenden PWM-Ausgangssignals schaltet die PWM-Modulationseinheit die zugeordnete Stromquelle zur Versorgung der entsprechenden LED mit elektrischer Energie aus. Diese Schrift bezeichnet die Zeitabschnitte, zu denen der PWM-Puls eine abfallende Flanke aufweist, nachfolgend als Ausschaltzeit.
Bis zum Erreichen des ersten Zählerstands I durch den PWM-Zähler gibt die LED ein in der Intensität nur geringes oder bevorzugt kein Licht mehr ab.
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Eine erste Anzahl der Zählschritte des PWM-Zählers zwischen dem Einnehmen des Neustartwerts 0 des PWM-Zählers und dem Einnehmen des ersten Zählertands I des PWM-Zählers dividiert durch den PWM-Takt entspricht der PWM-Periode. Eine zweite Anzahl der Zählschritte des PWM-Zählers zwischen dem Einnehmen des Neustartwerts 0 des PWM-Zählers und dem Einnehmen des zweiten Zählertands II des PWM-Zählers dividiert durch den PWM-Takt entspricht der PWM-Pulsdauer.
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Statt eines solchen beispielhaften digitalen Zählers kann die PWM-Modulationseinheit PWM auch einen nicht dargestellten analogen PWM-Generator aufweisen. Bei diesem lädt eine Konstantstromquelle beispielsweise eine Kapazität mit einem Konstantstrom. Die Kondensatorspannung zwischen den Anschlüssen des Kondensators steigt dann linear an.
Ein erster Komparator vergleicht die Kondensatorspannung mit einem ersten Vergleichswert. Erreicht die Kondensatorspannung den ersten Vergleichswert, so schließt beispielsweise der erste Komparator den Kondensator mittels eines Schalters kurz. Dadurch entlädt der geschlossene Schalter den Kondensator und die Kondensatorspannung fällt auf nahezu 0V. Der erste Komparator öffnet infolge der niedrigen Kondensatorspannung dann wieder den Schalter und der Ladevorgang des Kondensators kann von vorn beginnen. Ein zweiter Komparator vergleicht die Kondensatorspannung mit einem zweiten Vergleichswert. Liegt die Kondensatorspannung unter dem zweiten Vergleichswert, so schaltet der zweite Komparator das PWM-Ausgangssignal auf „Aus“. Ein dritter Komparator vergleicht die Kondensatorspannung mit einem dritten Vergleichswert. Liegt die Kondensatorspannung über dem zweiten Vergleichswert und unter dem dritten Vergleichswert, so schalten der dritte Komparator und der zweite Komparator das PWM-Ausgangssignal auf „Ein“. Liegt die Kondensatorspannung über dem dritten Vergleichswert, so schaltet der dritte Komparator das PWM-Ausgangssignal auf „Aus“. Mit dem zweiten Vergleichswert kann somit der zweite Komparator den Einschaltzeitpunkt innerhalb einer PWM-Periode bestimmen und mit dem dritten Vergleichswert kann somit der dritte Komparator bei dieser beispielhaften analogen Realisierung den Ausschaltzeitpunkt innerhalb einer PWM-Periode bestimmen.
Der Kondensator des analogen PWM-Generators hat dann also die Funktion des Zählers der digitalen Realisierung.
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Schaltet die Vorrichtung mehrere angesteuerte LEDs gleichzeitig an und/oder aus, überlappen die ansteigenden Flanken (Einschaltzeiten) und/oder abfallenden Flanken (Ausschaltzeiten) mehrerer PWM-Pulse verschiedener PWM-Modulationseinheiten zeitlich. Somit ergibt sich eine starke Schwankung des Stromwerts in der Versorgungsleitung, wie in 3a dargestellt.
Sind die PWM-Pulse der jeweiligen PWM-Modulationseinheiten jedoch zueinander phasenverschoben, sodass es zu keiner oder nur teilweisen zeitlichen Überlappung der ansteigenden und abfallenden Flanken der PWM-Pulse kommt, so stellt sich ein nahezu konstanter Stromwert in der Versorgungsleitung ein (s. 3b). Zumindest kann ein solches Verfahren die zeitliche Fluktuation des Stromwerts des elektrischen Stromes in der Versorgungsleitung reduzieren.
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Um eine derartige Phasenverschiebung der PWM-Pulse für die angesteuerten Leuchtmittel zu erhalten, muss der Busmaster alle PWM-Modulationseinheiten zunächst auf einen Startzeitpunkt to synchronisieren.
Zur Erzielung einer Phasenverschiebung der PWM-Pulse verschiebt jede PWM-Modulationseinheit ihre jeweilige Startzeit bezüglich des Startzeitpunkts t0 beispielsweise bei einer digitalen Realisierung mittels des jeweiligen internen PWM-Zählers um einen individuellen bestimmten Zeitwert, sodass sich die Startzeiten der PWM-Modulationseinheiten voneinander derart unterscheiden, dass sich die Einschaltzeiten, sowie die Ausschaltzeiten der verschiedenen PWM-Modulationseinheiten voneinander unterscheiden. Bevorzugt unterscheiden sich alle Einschaltzeiten und alle Ausschaltzeiten der verschiedenen PWM-Modulationseinheiten voneinander.
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Indem der Busmaster BM ein Synchronisationssignal SySi an alle Bus-Slaves BS oder eine Teilmenge der Bus-Slaves BS sendet, wie in 4 dargestellt, synchronisiert der Busmaster BM die PWM-Modulationseinheiten PWM.
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4 zeigt die in 1 dargestellte Vorrichtung, wobei eine Synchronisationseinheit Sync Teil des Busmasters BM ist, und wobei ein innerer Busmaster BM' des Busmasters BM den in 1 dargestellten Busmaster BM ersetzt.
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Zur Synchronisation der in den Bus-Slaves BS integrierten PWM-Modulationseinheiten sendet der Busmaster BM ein Synchronisationssignal SySi über eine vordefinierte Folge von Datenbits oder Datenworten, einer vordefinierten Flanke bzw. Folge von Flanken an alle Bus-Slaves BS oder eine Teilmenge von Bus-Slaves BS, welche das Synchronisationssignal SySi an die in den Bus-Slaves BS integrierten PWM-Modulationseinheiten weitergeben.
Insbesondere kann das Synchronisationssignal SySi Teil eines Broadcast-Signals sein. Die hier vorgelegte Schrift definiert ein Broadcast-Signal so, dass der Busmaster BM das Broadcast-Signal an alle Bus-Slaves BS oder zumindest an eine vordefinierte Gruppe von Bus-Slaves BS sendet, woraufhin diese das Broadcast-Signal mehr oder weniger zeitlich parallel auswerten und ggf. als Broadcast-Kommando ggf. gemeinschaftlich umsetzen.
Insbesondere kann das Broadcast-Signal neben dem Synchronisationssignal SySi bevorzugt, aber nicht zwingend ein Startsignal, ein Adressfeld, ein Prüffeld, ein Datenfeld, sowie ein Stoppfeld umfassen. Insbesondere kann der Busmaster BM das Broadcast-Signal mittels des Adressfelds an alle Bus-Slaves BS oder eine Teilmenge von Bus-Slaves BS, insbesondere an eine vorbestimmbare Gruppe von Bus-Slaves BS, adressieren.
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In einer ersten Ausgestaltung sendet der Busmaster BM das Synchronisationssignal SySi regelmäßig in einem bestimmten Zeitintervall, das heißt, der Busmaster BM sendet das Synchronisationssignal SySi wiederholt in regelmäßigen Zeitabständen. Hierzu triggert ein Zeitgeber innerhalb des Busmasters BM diese Aussendung, woraufhin der Busmaster BM die Aussendung des Broadcast-Signals beginnt, sobald der Buszustand eine solche Aussendung erlaubt.
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Der Nachteil einer zeitgesteuerten Aussendung des Synchronisationssignals SySi ist eine nicht bedarfsangepasste Belastung des Datenbusses und damit eine nicht bedarfsangepasste Reduktion der Datenbuskapazität.
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In einer weiteren Ausgestaltung sendet der Busmaster BM das Synchronisationssignal SySi in Abhängigkeit eines von dem Messgerät M gemessenen Messwerts MW für einen Strom und/oder eine Spannung gegenüber einem Bezugspotential GND. Dabei erfasst der Busmaster BM mittels des gemessenen Messwerts MW die Qualität der Synchronisation der PWM-Modulationseinheiten PWM wertmäßig und regelt bei einer unzureichenden Qualität der Synchronisation der PWM-Modulationseinheiten PWM die Häufigkeit der Synchronisation so nach, dass die Qualität der Synchronisation der PWM-Modulationseinheiten PWM die Anforderungen an die Qualität der Synchronisation der PWM-Modulationseinheiten PWM erfüllt, ohne die Datenbuskapazität durch zu viele Synchronisationsbefehle pro Zeitabschnitt zu sehr zu belasten.
Eine unzureichende Qualität der PWM-Modulationseinheiten PWM zeigt sich insbesondere dadurch, dass das Spektrum des Wechselsignalanteils des zeitlichen Verlaufs des Messwertsignals aus den Messwerten MW in bestimmten Frequenzbereichen eine Amplitude aufweist, die oberhalb einer erlaubten Maximalamplitude liegt und/oder dass der Effektivwert des Wechselsignalanteils des zeitlichen Verlaufs des Messwertsignals aus den Messwerten MW oberhalb einer erlaubten Maximalamplitude liegt.
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Insbesondere stellt der Busmaster BM bevorzugt das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Synchronisationssignalen SySi abhängig von einem effektiven Wert eines Wechselsignals WS des Messwerts MW derart ein, dass der effektive Wert des Wechselsignals WS einen vorgegebenen Soll-Wert entspricht oder unterschreitet.
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Insbesondere sendet der Busmaster BM das Synchronisationssignal SySi, wenn eine Abweichung des effektiven Werts des Wechselsignals WS zu einem vorgegebenen Komparationswert einen bestimmten ersten Schwellwert überschreitet.
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Insbesondere umfasst in einer besonderen Realisierung die Synchronisationseinheit Sync eine Mehrzahl von Filtern F, sowie einen Synchronisationskomparator K.
Insbesondere filtert ein erster Filter F1 ein Gleichsignal aus dem Messwert MW heraus, und lässt ein Wechselsignal WS des Messwerts MW passieren. Bevorzugt handelt es sich bei dem ersten Filter F1 um einen Hochpass- oder Bandpassfilter, der das Gleichsignal eines Messwertsignals des Messwerts MW sperrt.
Insbesondere speist der erste Filter F1 das Wechselsignal WS direkt oder indirekt über ggf. weitere Signalverarbeitungseinheiten, in einen zweiten Filter F2 ein. Insbesondere ist der zweite Filter F2 bevorzugt ein Gleichrichter. Insbesondere entspricht ein von dem zweiten Filter F2 ausgegebenes Gleichrichter-Ausgangssignal GA einem Eingangssignal für einen dritten Filter F3.
Insbesondere ist der dritte Filter F3 ein Tiefpass-Filter. Insbesondere entspricht das Ausgangssignal des dritten Filters F3 einem Gleichsignalanteil GSA des Gleichrichter-Ausgangssignals GA. Dieser Gleichsignalanteil GSA entspricht in diesem Beispiel dem Effektivwert des Wechselsignals WS des Messwertsignals des zeitlichen Verlaufs des Messwerts MW.
Insbesondere vergleicht der Synchronisationskomparator K den Gleichsignalanteil GSA mit einem bestimmten Komparationswert. Ist eine Differenz zwischen dem Gleichsignalanteil GSA und dem Komparationswert größer als ein bestimmter erster Schwellwert, so sendet der Synchronisationskomparator K ein Komparator-Signal KS an den inneren Busmaster BM' des Busmasters BM. Empfängt der innere Busmaster BM' das Komparator-Signal KS, so sendet der Busmaster BM in diesem Beispiel das Synchronisationssignal SySi.
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In einer weiteren Ausgestaltung stellt ein neuronales Netzwerkmodell das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Synchronisationssignalen SySi ein.
Insbesondere umfasst ein Eingangssignal für eine Merkmalsextraktion einen zeitlichen Verlauf des durch das Messgerät M erfassten Messwert MW eines Stroms und/oder einer Spannung in der Versorgungsleitung VL gegenüber einem Bezugspotential GND.
Insbesondere entspricht der zeitliche Verlauf des durch das Messgerät M erfassten Messwert MW des Stroms und/oder der Spannung in der Versorgungsleitung VL gegenüber dem Bezugspotential GND dem Eingangssignal für die Merkmalsvektorextraktion.
Die Merkmalsvektorextraktion liefert ein Merkmalsvektorsignal, welches einem Eingangssignal für das neuronale Netzwerkmodell entspricht.
Der Busmaster BM umfasst bevorzugt einen Prozessor, der das neuronale Netzwerkmodell ausführt. Der Prozessor speist das Merkmalvektorsignal der Merkmalsvektorextraktion in das neuronale Netzwerkmodell ein und führt das neuronalen Netzwerkmodell aus.
Erkennt das neuronale Netzwerkmodell eine unzureichende Qualität der Synchronisation der PWM-Modulationseinheiten PWM, so erzeugt das neuronale Netzwerkmodell eine Signalisierung, die dem Komparator-Signal KS in seiner Wirkung entspricht. Der Busmaster BM kann daraufhin die Einschaltzeiten der PWM-Pulse durch die PWM-Modulationseinheiten PWM innerhalb der PWM-Perioden ändern.
Insbesondere bestimmt somit der Busmaster BM Einschaltzeiten der PWM-Pulse durch die PWM-Modulationseinheiten PWM innerhalb der PWM-Perioden in Abhängigkeit eines Ausgangssignals des neuronalen Netzwerkmodells.
Zusätzlich oder alternativ sendet der Busmaster BM das Synchronisationssignal SySi.
Eine unzureichende Qualität der PWM-Modulationseinheiten PWM zeigt sich insbesondere dadurch, dass das Spektrum des Wechselsignalanteils des zeitlichen Verlaufs des Messwertsignals aus den Messwerten MW in bestimmten Frequenzbereichen eine Amplitude aufweist, die oberhalb einer erlaubten Maximalamplitude liegt und/oder dass der Effektivwert des Wechselsignalanteils des zeitlichen Verlaufs des Messwertsignals aus den Messwerten MW oberhalb einer erlaubten Maximalamplitude liegt.
Bevorzugt basiert der Merkmalsvektor, den der Prozessor des Busmasters BM typischerweise zum Speisen des neuronalen Netzwerkmodells verwendet, von dem Spektrum und/oder dem Effektivwert des besagten Wechselsignalanteils ab.
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Zusätzlich oder alternativ sendet der Busmaster BM das Synchronisationssignal SySi in Abhängigkeit des Ausgangsignals des neuronalen Netzwerkmodells.
Erkennt das neuronale Netzwerkmodell eine unzureichende Qualität der Synchronisation der PWM-Modulationseinheiten PWM, so erzeugt das neuronale Netzwerkmodell eine Signalisierung, die dem Komparator-Signal KS in seiner Wirkung entspricht. Der Busmaster BM kann daraufhin die zeitlichen Perioden zur Aussendung des Synchronisationssignals in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal des neuronalen Netzwerkmodells ändern.
Zusätzlich oder alternativ sendet der Busmaster BM das Synchronisationssignal SySi mit einer zeitlichen Periode, die von einem oder mehreren Ausgangsignalen des neuronalen Netzwerkmodells abhängt.
Bei Signalen im Sinne dieser Schrift kann es sich auch um Variablen eines Programms eines Prozessors handeln.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die Vorrichtung V dazu eingerichtet eine Fehler-Diagnose unter Verwendung des effektiven Werts des Wechselsignals WS durchzuführen.
Überschreitet der effektive Wert des Wechselsignals WS einen zweiten Schwellwert, schließt der Busmaster BM auf einen Fehler. In Folge dessen sendet der Busmaster BM das Synchronisationssignal SySi. Überschreitet der effektive Wert des Wechselsignals WS weiterhin den zweiten Schwellwert,
schaltet der Busmaster BM einen x-ten Bus-Slave BSx der n Bus-Slaves BS aus, während die übrigen n-1 Bus-Slaves BS angeschaltet bleiben. Anschließend wird, optional nach einem weiteren Synchronisationssignal, überprüft, ob der effektive Wert des Wechselsignals WS weiterhin den zweiten Schwellwert überschreitet. Überschreitet der effektive Wert des Wechselsignals WS weiterhin den zweiten Schwellwert, so schaltet der Busmaster BM den x-ten Bus-Slave BSx wieder an und schaltet einen der übrigen n-1 Bus-Slaves BS aus.
Dieses Verfahren wird iterativ so lange durchgeführt, bis der effektive Wert des Wechselsignals WS den zweiten Schwellwert unterschreitet.
Der Bus-Slave BS, der zu dem Zeitpunkt, an dem der effektive Wert des Wechselsignals WS den zweiten Schwellwert wieder unterschreitet, ausgeschaltet ist, entspricht einem fehlerhaften Bus-Slave BS.
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Äquivalent kann der Busmaster BM anstelle der Bus-Slaves BS auch einzelne PWM-Modulationseinheiten PWM einzeln aus- und wieder anschalten.
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Zusätzlich kann der Busmaster BM einen Selbstdiagnosetest zur Ermittlung eines Selbstdiagnoseergebnisses durchführen.
Hierzu kann der Busmaster BM beispielsweise das Spektrum des zeitlichen Verlaufs des Messwerts MW ermitteln und mit einem maximalen und ggf. mit einem minimalen Spektrum vergleichen. Liegt das ermittelte Spektrum in einem vorgegebenen Frequenzbereich nicht zwischen dem maximalen und minimalen Spektrum oder überschreiten die Abweichungen vorgegebene Maße, so schließt der Busmaster BM auf einen Fehler und signalisiert diesen bevorzugt.
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Bezugszeichenliste
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- V
- Vorrichtung zum Ansteuern von Leuchtmitteln
- BM
- Busmaster
- BM'
- innerer Busmaster
- BS
- Bus-Slave
- BSx
- x-ter Bus-Slave
- S
- Schnittstelle
- M
- Messgerät zur Ermittlung eines Strom-/Spannungswerts
- MW
- Messwert
- VL
- Versorgungsleitung
- GND
- Bezugspotential
- PWM
- PWM-Modulationseinheit
- IQ
- Stromquelle
- t0
- Startzeitpunkt
- SR
- Schaltregler
- Sync
- Synchronisationseinheit
- SySi
- Synchronisationssignal
- WS
- Wechselsignal
- GA
- Gleichrichter-Ausgangssignal
- GSA
- Gleichsignalanteil
- KS
- Komparator-Signal
- F
- Filter
- F1
- erster Filter
- F2
- zweiter Filter
- F3
- dritter Filter
- K
- Synchronisationskomparator
- 0
- Neustartwert
- I
- erster Zählerstand
- II
- zweiter Zählerstand
