DE19603875A1 - Vorrichtung zur physiologischen Steuerung der Helligkeit einer Beleuchtung von mehreren Stellen aus auch für Energiesparlampen - Google Patents

Description

Stand der Technik

Herkömmliche Dimmer sind Vorrichtungen zur Steuerung der Helligkeit von Raumbe­ leuchtungen. Es sind kleine Geräte zum Einbau in genormte Unterputzdosen mit einem Drehknopf, Tasten oder Sensorfläche(n) zur Einstellung der gewünschten Helligkeit. Meistens besitzt der Dimmer einen Schalter, mit dem zwischen "Aus" und der eingestellten Helligkeit gewählt werden kann. Die Schaltung einer Raumbeleuchtung ohne Dimmer mit n Schaltern ist in Fig. 1 skizziert. Dimmer sind nun so konstruiert, daß sie einen der Wechselschalter ersetzen können, wie in Fig. 2 gezeigt. Die eingestellte Helligkeit kann an jedem der Schalter (und am Dimmer) an- und ausgeschaltet werden. Befindet man sich aber an der Stelle, an der nur einer der Schalter befindlich ist, und ist mit der eingestellten Helligkeit nicht zufrieden, muß man erst noch zum Dimmer gehen, um die Helligkeit zu verändern.

Die stufenlose und verlustleistungsarme Steuerung der Helligkeit wird erreicht, indem der Strom erst zu einem veränderbaren Zeitpunkt in einer Netzspannungsperiode eingeschaltet wird. Man spricht von einer Phasenanschnittsteuerung. Dabei wird während einer Netzspannungsperiode ein-, und grundsätzlich zum Nulldurchgang der Spannung wieder ausgeschaltet. Das läßt sich mit einer Kombination eines DIACs mit einem TRIAC erreichen. Es gibt auch Schaltungen, die Thyristoren verwenden. Dieser einseitige Anschnitt der Phase macht den Dimmer jedoch nur für Glühlampen verwendbar.

Es wäre zwar denkbar, mit einem speziellen zweiten Dimmer durch weitergehenden Phasen­ anschnitt die Helligkeit zu vermindern, ohne zusätzliche Leitung ist es mit der bisherigen Technik nicht möglich, die Helligkeit an mehreren Orten unabhängig einzustellen.

Aufgabenstellung

Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine bestehende Schaltung mit beliebig vielen Schaltern ohne Erweiterung der Verdrahtung, nur durch Ersatz der Schalter durch geeignete Geräte, zur von jedem Ort aus voll dimmbaren Beleuchtungsanlage zu erweitern. Überall dort, wo vorher ein Schalter war, kann dann die Raumhelligkeit eingestellt werden. Um eine einfache Bedienung nach look-and-feel-Gesichtspunkten zu erreichen, soll die Bedienung wie bisher mit Tasten, Sensorflächen und Drehknöpfen möglich sein. Moderne elektronische Glühlampen sollen in beliebiger Kombination verwendet werden können.

Seit einigen -zig Jahrtausenden wird der Tagesablauf der meisten Tiere, später Säuge-, Wirbeltiere und Menschen vom Rhythmus des Sonnenlichts vorgegeben. Erst seit wenigen Generationen steht den Menschen nennenswert helles Kunstlicht im Alltag zur Verfügung. Es muß davon ausgegangen werden, daß Menschen es angenehmer und harmonischer empfinden, wenn das Licht abends nicht abrupt ausgeht, und wenn es morgens, noch bevor ein Wecker den Schlaf beendet, bereits über mehrere Minuten hinweg langsam heller wurde. Um diese physiologische Helligkeitssteuerung zu erreichen, soll der Dimmer zu einer programmierbaren Weckzeit die Raumhelligkeit allmählich in Simulation des Tagesanbruchs steigern bzw. abends das Licht über eine Sonnenuntergangszeit hinweg selbsttätig langsam dunkler werden lassen können. Die Zeitparameter sollen alle nach persönlichen Wünschen programmierbar sein.

Es ist für den hier beschriebenen "intelligenten" Dimmer technisch einfach, als Einbruchab­ schreckung das Licht zu programmierbaren Zeiten oder nach Zufallsgesichtspunkten an- und abzuschalten. Es sollte daher mit den bisher beschriebenen Anforderungen kombiniert werden. Auch eine digitale Schnittstelle sollte nicht fehlen, damit der Dimmer in Häusern mit vollständiger Steuerung der Haustechnik durch einen zentralen Computer von diesem Zentralrechner Steuerbefehle entgegennehmen kann.

Technische Lösung

Zur Steuerung der Raumhelligkeit von beliebig vielen Stellen aus ohne weitere Verdrahtung und zur Ansteuerung von Energiesparlampen kommt nur ein digitales Konzept in Frage. Um die "intelligenten" Funktionen zu ermöglichen, ist darüber hinaus die Verwendung eines Prozessors unabdingbar. Wegen des in der Unterputzdose zur Verfügung stehenden begrenzten Platzes sollte ein Microcontroller oder eine sog. BASIC-Briefmarke (Steuerprozessor auf engstem Raum mit geringem Stromverbrauch) verwendet werden. Er nimmt die Bedienung am Gerät und an den Nebenstellen entgegen, realisiert eine Uhr für die physiologischen Funktionen, steuert die für die Programmierung nötigen Anzeigen (z. B. LEDs, Flüssigkristallanzeigen) und gibt die richtigen Schaltzeitpunkte für den Phasenanschnitt vor. Der Prozessor mit der phasenanschneidenden Elektronik findet in einem Hauptgerät Platz. An weiteren Bedienungsorten werden Nebenstellen montiert, die äußerlich vom Hauptgerät nicht unterscheidbar sein müssen, und die eine eventuelle Bedienung an das Hauptgerät übermitteln. Damit Energiesparlampen verwendet werden dürfen, muß der Phasenanschnitt symmetrisch zum Scheitelwert der Netzspannung erfolgen. Als Schalt­ element sind dann DIAC-TRIAC-Kombinationen oder Thyristoren nicht mehr zu verwenden, es muß ein spannungsfester Transistor eingesetzt werden. Der Transistor muß selbstsperrend sein, damit die Schaltung ihre Betriebsspannung aufbauen kann und er darf aus Verlustleistungsgründen nur minimale Steuerströme benötigen. Hier ist der Einsatz eines N-Kanal-Anreicherungs-MOSFETs ideal. Damit ein einziger MOSFET die positive und die negative Halbwelle schalten kann, wird er in einen Gleichrichter geschaltet. Er hat so immer eine positive Spannung und positiven Strom zu schalten. Ein Lösungsvorschlag wird in Fig. 3 gezeigt. Diese Schaltung könnte auch Niedervolt-Halogenlampen mit entsprechendem Trafo ansteuern. Die Schwierigkeit besteht darin, daß der Strom durch die Last (die Lampe) während der Netzperiode abgeschaltet werden muß. Die Last darf also keine induktiven An­ teile, etwa durch den Trafo einer Halogenbeleuchtungsanlage besitzen. Sonst muß ein wirksamer Überspannungsschutz eingebaut werden.

Einfach zu realisieren ist die Bedienung durch Tasten ("Heller" und "Dunkler", möglich auch zusätzlich "Volle Helligkeit" und "Aus"). Soll ein Drehknopf eingesetzt werden, schließt sich die Verwendung eines Potentiometers wegen des begrenzten Drehwinkels aus. Statt dessen wird ein Winkelkodierer benutzt.

Die bisherige Verdrahtung soll nicht erweitert werden, der Dimmer ist also in Serie mit der(n) Lampe(n) geschaltet. Ist das Licht ausgeschaltet, liegt am Dimmer die gesamte Spannung an, es darf aber kaum Strom fließen. Ist das Licht ganz eingeschaltet, fließt durch den Dimmer Strom, es sollte aber keine Spannung an ihm abfallen. Der Dimmer mit seinem Prozessor benötigt jedoch eine Versorgungsspannung. Damit im ausgeschalteten Zustand möglichst wenig Strom fließt, darf der Prozessor nur sehr wenig Strom (z. B. < 2 mA) brauchen. Damit im eingeschalteten Zustand der Prozessor versorgt wird, sollte die ansteigende Flanke der Netzphase grundsätzlich angeschnitten werden, und zwar bis der Betrag der Spannung einer Halbwelle bis auf ca. 15 V angestiegen ist. Die anliegenden Spannungen sind in Fig. 4 skizziert.

Die Treiberschaltung muß zunächst eine Spannung von 0 V an den Gate-Anschluß des Transistors legen, und zwar in dem Zustand, den der Steuerausgang des Controllers während des Reset-Vorgangs per default hat. Sonst schaltet der Transistor durch und schnürt die Betriebsspannung der Schaltung ab. Bei Aktivierung des Steuerausgangs des Controllers legt der Treiber eine Spannung ca. 10 V an den Gate-Anschluß des Transistors, damit dieser sicher durchschaltet. Der Transistor muß immer vollständig entweder ein- oder ausschalten, damit keine nennenswerte Verlustleistung in ihm entsteht. Der Schaltvorgang wird von dem Prozessor ausgelöst. Dieser bestimmt das Schalttiming zum Beispiel wie in Fig. 4 skizziert. Dazu muß er den Zeitpunkt des Nulldurchgangs der Netzphase kennen. Durch den Gleichrichter ist es egal, ob der Nulldurchgang von positiver nach negativer Halbwelle oder umgekehrt stattfindet. Das Steuertiming ist nach jedem Nulldurchgang gleich und wird durch ihn synchronisiert. Der Schwellwertentscheider muß durch Spannungsvergleiche entscheiden, ob und welche der Tasten an den Nebenstellen gedrückt wurden.

Bei den Beispielen wurde von deutschen Bedingungen ausgegangen, also einer Netzspannung von 220 bis 240 V∼ bei einer Frequenz von 50 Hz. Das Schaltungsdesign läßt sich mit ge­ ringen Änderungen auch auf andere Spannungen und Frequenzen anpassen.

Legende/Bezugszeichenliste

Es zeigen:

Fig. 1 Beleuchtungsschaltung mit n Schaltern, 2 Wechselschalter und n-2 Kreuzschalter.

Fig. 2 Gleiche Schaltung mit nachgerüstetem Dimmer.

Fig. 3 Blockschaltbild einer möglichen Lösung.

Fig. 4 Spannungsverläufe an der Lampe und am Dimmer; Reihenschaltung.

Für je 10%, 50% und 100% der möglichen Beleuchtungsleistung skizziert. U_LA = Spannung an der Lampe; U_DI = Spannung am Dimmer.

Claims (6)

1. Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung der Helligkeit einer Beleuchtung (Dimmer), dadurch gekennzeichnet, daß sich die Helligkeit von mehreren räumlich getrennten Stellen aus, ohne zu­ sätzliche Verkabelung verglichen mit einer Wechsel-/Kreuzschaltung, einstellen läßt.

2. Einen physiologischen Dimmer, dadurch gekennzeichnet, daß in Simu­ lation von Sonnenauf- und -untergängen die Raumbeleuchtung zu einer programmierbaren Weckzeit oder auf Tastendruck sehr langsam heller wird bzw. zu einer programmierbaren Zeit oder auf Tastendruck sehr langsam dunkler wird und verlischt.

3. Einen Dimmer, dadurch gekennzeichnet, daß auch elektronische Ener­ giesparlampen in beliebiger Kombination mit Glühlampen angesteuert werden können.

4. Dimmer nach 1. Hauptanspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Raumbeleuchtung in programmierbarem Rahmen menschliche Be­ dienung vortäuschend als Schutz vor Einbruch automatisch ein- und ausgeschaltet wird.

5. Einen Dimmer, dadurch gekennzeichnet, daß zur Realisierung der intelligenten Steuerungsfunktionen ein Prozessor, beispielsweise ein Microcontroller, eingesetzt wird, der seine Stromversorgung aus einem ständigen, minimalen Phasenanschnitt bezieht.

6. Einen Dimmer, dadurch gekennzeichnet, daß als Schaltelement keine DIAC-TRIAC-Kombination oder Thyristor eingesetzt wird, sondern ein Transistor, beispielsweise ein N-Kanal-Anreicherungs-MOSFET.