DE19712925C2 - Steuervorrichtung für eine Gruppe von Leuchtmitteln, Steuerverfahren und Verwendung der Steuervorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für eine Gruppe von Leuchtmitteln, insbesondere von kerzen­ förmig ausgebildeten Glühlampen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Damit eignet sich die vorliegende Vor­ richtung zum Steuern einer Mehrzahl von Lampen, wie sie als Christbaumkerzen, Lampenketten für Dekorationszwecke oder aber als - weihnachtliche - Lichterbögen Einsatz finden.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Steuern einer Gruppen von elektrisch betriebenen Leuchtmit­ teln sowie eine Verwendung der erfindungsgemäßen Steuervor­ richtung.

Derartige Gruppierungen bzw. Anordnungen einer Mehrzahl von elektrischen Leuchtmitteln sind aus dem Stand der Technik bekannt. Dabei sind die jeweiligen Lampen - entweder seri­ ell oder parallel verschaltet - mit einer Netzspannung oder einer herabgesetzten Niederspannung zu verbinden, um die Lampengruppe zu aktivieren.

Es hat sich herausgestellt, daß besondere Leuchteffekte ei­ ner solcher Leuchtmittelgruppe - über einen einfachen Dauer-Leuchtzustand hinaus - für Betrachter interessant und attraktiv werden und insbesondere etwa auch als Schau­ fensterbeleuchtungen geeignet sind. Dabei wird angestrebt, durch ein elektronisch erzeugtes Flackern bzw. Flimmern der jeweiligen Leuchtmittel den Eindruck einer natürlichen, brennenden Kerze optisch möglichst weitgehend zu simulie­ ren.

Zu diesem Zweck existieren im Stand der Technik gängige Takt- bzw. Blinkschaltungen, die die jeweiligen Leuchtmit­ tel periodisch ein- und ausschalten.

So ist aus der US 4,890,000 eine Steuerschaltung für Leuchtmittel zum Einsatz im dekorativen Bereich nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bekannt, die eine Mehr­ zahl von Leuchmitteln mit verschiedenen Steuerfrequenzen aktiviert und so für eine Effektbeleuchtung sorgt. Entspre­ chend ist aus der US 5,027,037 eine Lampensteuerung be­ kannt, mit welcher für eine Mehrzahl von Leuchtmitteln durch Ansteuerung einer integrierten Steuerschaltung varia­ ble, pulsierende Lichtimpulse erzeugt werden können.

Schließlich offenbart die DE-GbM 93 19 381 eine - einka­ nalige - Steuerschaltung für ein Leuchmittel, welche explizit das Blinken einer Kerze simulieren soll.

Derartige Blinkschaltungen, die jedem Elektroniker geläufig sind, eignen sich jedoch nur begrenzt für den vorgesehenen Zweck der Ansteuerung von Lampen zum Erreichen eines mög­ lichst natürlichen Flacker- bzw. Flimmereffekts. Insbeson­ dere führt nämlich das getaktete Ein- und Ausschalten, das üblicherweise mit gleicher Periode für die Ein- und die Ausschaltzeit erfolgt, zu einem höchst unnatürlichen Licht­ eindruck, der von einem Betrachter eher störend als attrak­ tiv und natürlich empfunden wird. Dieser Eindruck wird zu­ dem dadurch verstärkt, daß in der Regel eine derartige Blinkschaltung einkanalig aufgebaut ist, d. h. sämtliche Leuchtmittel einer Lampengruppe werden synchron durch den­ selben Steuertakt aktiviert bzw. deaktiviert.

Zwar wäre es möglich, durch das Hinzufügen eines zweiten Kanals oder weiterer eine jeweilige Lampensteuerung abwech­ selnd zu gestalten, auch hier würde jedoch beim Betrachter optisch der Eindruck eines künstlichen, wiederkehrenden Schaltmusters entstehen, welches den beabsichtigen Leucht­ effekt verfehlt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gat­ tungsgemäße Steuervorrichtung für eine Gruppe von Leucht­ mitteln, insbesondere von auf Glühlampenbasis gebildeten Kerzennachbildungen, zu schaffen, deren Leuchtverhalten im Betrieb dem Flimmern bzw. Flackern einer natürlichen Kerze möglichst nahekommt.

Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 sowie die Verwendung nach dem Patentan­ spruch 9 gelöst.

Vorteilhaft ermöglicht die erfindungsgemäße Steuervorrich­ tung mit dem periodischen Unterbrechen eines Dauer-Aktivie­ rungszustandes, daß der natürliche Eindruck einer flackern­ den bzw. flimmernden, brennenden (Wachs-) Kerze entsteht. Darüber hinaus ist durch die mehrkanalige Ausbildung, die bevorzugt mindestens etwa drei Kanäle umfassen sollte, si­ chergestellt, daß dieses elektronische Flimmern nicht etwa im Gleichtakt erfolgt, sondern benachbarte Leuchtmittel werden zueinander asynchron in Flimmerbetrieb angesteuert, so daß hierdurch die natürliche Wirkung weiter erhöht wird.

So hat es sich als besonders geeignet herausgestellt, den Stromfluß durch ein jeweiliges Leuchtmittel jeweils etwa 1 bis 10 msec. zu unterbrechen. Je nach den beteiligten Lei­ tungsinduktivitäten kommt es dabei nicht zu einem vollstän­ digen Ausschalten mit Erkalten der Glühwendel einer bevor­ zugt als Leuchtmittel zu verwendenden Glühlampe; vielmehr wird durch diese Maßnahme der erfindungsgemäß vorteilhafte Flimmereffekt erreicht, ohne daß sich dies etwa nachteilig auf die Lebensdauer der Leuchtmittel auswirkt.

Als schaltungstechnisch vorteilhaft hat es sich erwiesen, den Flimmereffekt durch ein entsprechend der Impulsdauer kurzfristiges Überbrücken eines Leuchtmittels zu erreichen. Während für einen solchen Schaltbetrieb auf Netzspannungs­ niveau insbesondere Triacs geeignet sind, die weiter be­ vorzugt mittels eines Optokopplers von der (Niedervolt-) Steuerelektronik getrennt werden, ist es alternativ auch möglich, Transistoren oder andere elektronische Schaltmit­ tel für die Aktivierung bzw. Deaktivierung der Leuchtmittel zu verwenden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen beschrieben.

Die erfindungsgemäß notwendige, mehrkanalige Takterzeugung erfolgt durch geeignete Verwendung von Zählern, Schiebere­ gistern oder geeignet programmierten Microcontrollern, wo­ bei weiter bevorzugt ein höherfrequentes Eingangssignal - geeignet etwa aus der Netzfrequenz abgeleitet - geteilt und auf die einzelnen Taktsignalausgänge der Takterzeu­ gungseinheit verteilt wird.

Weiterbildungsgemäß hat es sich als vorteilhaft herausge­ stellt, je nach dem gewünschten Beleuchtungseindruck die Taktfrequenz und/oder die Impulsdauer für das Unterbrechen zum Erreichen des Flimmereffektes einstellbar auszugestal­ ten, welches bevorzugt mit einer geeigneten, vorgeschalte­ ten Taktgebereinheit erfolgt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der erfindungs­ gemäßen Steuervorrichtung für eine Gruppe von Leuchtmitteln ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des Ausfüh­ rungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in

Fig. 1: ein schematisches Schaltbild einer Ausführungs­ form der Erfindung mit dargestelltem Lichterbo­ gen, bei welchem der erfindungsgemäße Flimmer­ effekt durch gezielte Überbrückung von Leuchtmit­ teln erfolgt;

Fig. 2: ein Signaldiagramm mit den Ausgängen der in Fig. 1 verwendeten, vierkanaligen Zählereinheit.

Unter Bezug auf die Ausführungsform gemäß Fig. 1 wird nun­ mehr die konkrete Anwendung des erfindungsgemäßen Schal­ tungsprinzips auf eine Mehrzahl (Gruppe) von Leuchtmitteln beschrieben, die in der - ansonsten bekannten - Art eines Lichter- bzw. Kerzenbogens angeordnet sind. Fig. 1 zeigt diesen Kerzenbogen 32, der sieben kerzenförmig ausgebildete Glühlampen A, B, C, D, E, F und G auf einem bogenförmigen Rahmen bzw. Träger 34 angeordnet aufweist. Der Rahmen 34 weist beidseitig einen bevorzugt kastenförmig ausgestalteten Fuß 36 auf, der sich insbesondere auch zum Aufnehmen der in der Fig. 1 als Schaltbild dargestellten Signal- und Steuerelek­ tronik eignet.

Die auf die vorbeschriebene Art gruppenweise verschalteten Leuchtmittel sind bei dieser Ausführungsform so angeordnet, daß keine zwei Lampen nebeneinander stehen, die durch den­ selben Kanal angesteuert werden. Mit anderen Worten, es wird für einen Betrachter der optische Eindruck vermieden, daß einander benachbarte Lampen im Gleichtakt flimmern, so daß auch durch diese Anordnung die Wirkung eines natürlichen Kerzenflackerns unterstützt wird und nicht etwa der Eindruck einer mechanistischen Ansteuerung entsteht.

Das in der Fig. 1 verwendete Prinzip zum Erzeugen des er­ findungsgemäßen Flimmerns beruht auf dem entsprechend taktgesteuerten, kurzzeitigen Überbrücken einzelner Leucht­ mittel aus einer Gruppe.

Genauer gesagt sind die bei der in Fig. 1 gezeigte, vierka­ naligen Ansteuerung eingesetzten sieben Leuchtmittel A bis G wie folgt verschaltet:
Kanal 1: Lampe A in Serie mit Lampe E
Kanal 2: Lampe C in Serie mit Lampe G
Kanal 3: Lampe B in Serie mit Lampe F
Kanal 4: Lampe D.

Wie sich aus der im oberen Teil des Schaltbildes der Fig. 1 dargestellten Verschaltung ergibt, ist ein jeweiliger Triac Si für einen jeweiligen Kanal i = 1 . . . 4 so geschaltet, daß bei eingeschaltetem Triac Si die dem jeweiligen Kanal zuge­ ordnete(n) Lampe(n) durch das eingeschaltete Schaltelement überbrückt werden, also für den Zeitpunkt des Durchschal­ tens stromlos geschaltet sind. Da durch ein jeweiliges Überbrücken der Leuchtmittel sich die an den übrigen, noch aktiven Lampen entstehende Netzspannung anteilig erhöht, ist zur Vermeidung von Spitzen ein Vorwiderstand 38 in den Versorgungsspannungskreis für die Leuchtmittel A bis G bzw. die zugehörigen Triacs S1 bzw. S4 eingeschleift.

Durch eine jeweilige Gate- bzw. Steuerelektrode 14 eines Triac Si (i = 1 . . . 4) wird das jeweilige Schaltelement von der im weiteren zu erläuternden Steuerelektronik angesteu­ ert, und zwar dergestalt, daß als Reaktion auf ein sequen­ tiell über die Kanäle 1 bis 4 zeitlich verteiltes Impulssignal ein jeweiliger Triac für eine vorbestimmte Zeit - bevorzugt etwa 2 bis 40 ms - eingeschaltet wird, so daß für diesen Zeitraum eine Stromzufuhr zu einem jeweiligen Kanal unterbrochen wird.

Wie in dem Schaltbild der Fig. 1 gezeigt, ist jeder Gateelektrode 14 der Triacs S1 ein Optokoppler Oi (wobei der Index i dem jeweiligen Kanal entspricht) vorgeschaltet, der für eine galvanische Trennung der Leistungsseite von der vorgeschalteten Signal- und Steuerelektronik sorgt.

Anhand des ersten Kanals soll im weiteren die Ansteuerung des Optokopplers O1, welche unmittelbar den Schaltzustand des Triacs S1 bestimmt, erläutert werden.

Aus einem ersten Signalausgang einer Zählereinheit 16 wird ein i. w. rechteckförmiges Impulssignal erzeugt und über einen Basiswiderstand R an einen Transistor T1a angelegt. Das Impulssignal einer Frequenz zwischen bevorzugt etwa 10 und 20 Hz (entsprechend einer Periodendauer von 50 bis 100 ms, wobei dann die eigentliche Signaldauer hier zwischen 5 und 25 ms liegt) aktiviert bzw. deaktiviert den Transistor T1a im Schaltbetrieb.

Der Transistor Tia steuert als Reaktion auf ein an seiner Basis anliegendes Impulssignal den zugehörigen Optokoppler Oi mit einem Positivimpuls an, woraufhin dann entsprechend der zugehörige Triac Si - für die Dauer des Impulses - eingeschaltet wird und durch die dadurch bewirkte Überbrückung der zugehörigen Lampen den gewünschten Flimmereffekt bewirkt.

Wie in der Fig. 1 gezeigt, erfolgt die Spannungsversorgung der vorbeschriebenen Signal- und Steuerelektronik durch ein mittels eines Transformators 18 und eines nachgeschalteten Brückengleichrichters 20 erzeugten Gleichspannungssignals, welches zusätzlich durch einen elektronischen Spannungssta­ bilisator 22 - der etwa durch eine Zenerdiode realisiert sein kann - stabilisiert wird.

Zusätzlich wird aus dem Gleichrichter 20 das 50 bzw. 100 Hz-Netzfrequenzsignal ausgekoppelt und über eine Netzfre­ quenz-Signalleitung 24 und einen Umschalter 28 der Zäh­ lereinheit 16 angeboten. Alternativ kann über den Umschal­ ter 28 die Zählereinheit 16 mit einer Taktgebereinheit 26 verbunden werden, die - unabhängig von der Netzfrequenz - ein mittels eines Stellglieds 30 vorwählbares, bevorzugt impulsförmiges Taktsignal CL einer Frequenz von bevorzugt zwischen etwa 20 und 200 Hz erzeugt.

Mittels des Stellgliedes 30 kann dann - stufenweise vor­ gewählt oder aber stufenlos - die gewünschte Ausgangsfre­ quenz der Taktgeber 26 und/oder das Puls-/Pausenverhältnis des so erzeugten Ausgangssignals verändert werden.

Wie in der Fig. 2 gezeigt, stellt die Zählereinheit 16 als Reaktion auf das Takt-Eingangssignal CL ein vierkanaliges, i. w. Rechteck-impulsförmiges Aussgangssignal bereit, des­ sen jeweilige Impulse für aufeinanderfolgende Kanäle - se­ quentiell oder überlappend - zeitversetzt erzeugt werden. Für den Fall, daß die Zählereinheit 16 als einfacher Frequenzteiler realisiert ist, entstehen somit verschach­ telte bzw. versetzte Einzelsignale der Frequenz von 10 bzw. 20 Hz (bei Beaufschlagung mit einem von der Netzfrequenz abgeleiteten Taktsignal CL). Derartige Zählervorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt, können als diskrete Logikschaltungen - etwa Schieberegister - aufgebaut sein, oder aber mit einem geeignet programmierten Mikroprozessor bzw. -controller realisiert sein. Insbesondere bietet es sich auch an, die Zählereinheit als Ringzähler oder aber als Johnson-Zähler auszubilden.

Auf die vorbeschriebene Weise entsteht somit eine Steuer­ vorrichtung, die sequentiell einzelne Lampen oder Lampen­ gruppen ansteuert, und zwar dergestalt, daß ein - dauer­ hafter - Leuchtbetrieb jeweils nur für eine durch das Steuer-Taktsignal vorgegebene Impulsdauer unterbrochen (ausgetaktet) wird. Je nach Impulslänge bzw. (Leitungs-) Induktivität einer jeweiligen Last wird dadurch ein Flim­ mern bzw. Flackern des jeweiligen Leuchtmittels erreicht, ohne daß es etwa zu einem vollständigen Ausschalten kommen muß. In der erfindungsgemäß beabsichtigten Weise wird dann zwar die Leuchtstärke einer jeweiligen Lampe verringert und ein Flimmereffekt erzielt, der dem Flimmereindruck einer brennenden, natürlichen Kerze entsprechen kann, gleichzei­ tig wird jedoch das künstliche, technisch und unnatürlich wirkende, "harte" Schaltverhalten herkömmlicher Blink- und Lauflichtschaltungen vermieden.

In einer (nicht gezeigten) Weiterbildung der in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist es zudem möglich, die Schaltung mit bereits herabtransformierter Niederspannung zu betreiben, wobei dann die geänderten Spannungsverhältnisse - auch für die Lastausgänge - je­ weils bei der Bauteiledimensionierung zu berücksichtigen sind. So bietet sich insbesondere ein Betrieb mit einer 12/24 Volt Wechselspannung an.

Selbstverständlich ist die in der vorbeschriebenen Ausfüh­ rungsform dargestellte Verschaltung der Lastausgänge bzw. der angesteuerten Lampen sowohl im Hinblick auf die Zahl der verwendeten Leuchtmittel als auch die Zahl der ver­ schiedenen, abfolgenden Signalkanäle zur Ansteuerung als rein exemplarisch zu verstehen und kann je nach Bedarf, Ressourceneinsatz oder gewünschtem Beleuchtungseffekt ge­ zielt ausgewählt werden. Praktisch hat es sich jedoch als nützlich erwiesen, zumindest drei unterschiedlich getaktete Signalkanäle zu verwenden, um einem Betrachter nicht den Eindruck einer - unnatürlich wirkenden - Gleichtaktan­ steuerung zu bieten.

Entsprechend können Lichterbögen, Lichterketten für Bäume od. dgl. oder andere Leuchtmittel in geeigneter Weise mit­ einander verschachtelt oder sequentiell angeordnet montiert werden. Insbesondere auch im Kleinleistungsbereich - etwa bei Verwendung von Leuchtdioden als Leuchtmittel - er­ scheint die vorbeschriebene Erfindung sinnvoll anwendbar.

Insbesondere im Hinblick auf die durch das Schaltprinzip der Fig. 1 bewirkten Spannungsschwankungen liegt es zudem im Ermessen des Fachmannes, jeweils Lampen mit einer ange­ paßten Brennspannung zu verwenden. Ob nun - insbesondere bei einem Einsatz als Lichterbogen - eine jeweilige Steuerelektronik in einem geeignet bemessenen Fuß (Gehäuse) enthalten ist, oder aber als separate Steuereinheit vorge­ sehen wird, liegt ebenfalls im Ermessen eines jeweiligen Fachmannes, wobei im zweiten Fall ein entsprechendes, mehradriges Kabel zur Verbindung mit dem Lichterbogen vor­ zusehen ist. Insbesondere wird auch bei Lichterbögen, die i. w. mit Holz als Trägermaterial aufgebaut sind, auf eine ausreichende Isolation bzw. eine Einhaltung der jeweils geltenden, elektrischen Vorschriften zu achten sein.

Erfindungsgemäß ist es somit möglich, eine natürliche, rea­ listische Nachbildung einer natürlichen Kerzenbeleuchtung zu schaffen. Weiter erhöhen läßt sich dieser Effekt da­ durch, daß neben der Licht- bzw. Beleuchtungswirkung von natürlichen Kerzen auch deren Wärmeerzeugung nachgeahmt wird, wie sie etwa für den Antrieb von Weihnachtskarussells bzw. -pyramiden ausgenutzt wird.

Weiterbildungsgemäß ist es daher möglich, die Leuchtmittel mit elektrischen Wärme- bzw. Heizwiderständen zu versehen (oder diese gesondert vorzusehen), um einen zusätzlichen, aufsteigenden Warmluftstrom zu erzeugen.

Claims (9)

1. Steuervorrichtung für eine Gruppe von Leuchtmitteln (A- G), insbesondere von kerzenförmig ausgebildeten Glüh­ lampen, mit
einer Mehrzahl von elektronisch ansteuerbaren, zum gesteuerten Aktivieren oder Deaktivieren jeweils mindestens eines Leuchtmittels (A-G) verschalteten Schalteinrichtungen (S1-S4),
einer für die Mehrzahl von Schalteinrichtungen vor­ gesehene Takterzeugungseinheit (16), die zum Er­ zeugen einer Mehrzahl von gegeneinander phasenver­ schobenen Taktsignalen entsprechend der Mehrzahl von Schalteinrichtungen ausgebildet ist,
einer Mehrzahl von jeweils zwischen den Schaltein­ richtungen und der Takterzeugungseinheit angeordne­ ten Steuerelektroniken (T1a-T4a),
wobei als Reaktion auf ein jeweiliges Taktsignal der Stromfluß zu einem zugeordneten, in einem Aktivierungszustand befindlichen Leuchtmittel durch die zugehörige Schalteinrichtung unterbrechbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die von der Takterzeugungseinheit erzeugten Takt­ signale impulsförmig sind, und eine mit der Wieder­ holfrequenz zwischen 8 und 22 Hz erzeugten Impuls­ dauer zwischen 1 und 10 msec aufweisen,
die Leuchtmittel (A-G) und die Schalteinrichtungen (S1-S4) so verschaltet sind, daß eine jeweilige Schalteinrichtung (z. B. S1) als Reaktion auf ein Steuersignal das mindestens eine, der Schaltein­ richtung (S1) zugeordnete Leuchtmittel (A, E) während der Impulsdauer überbrückt und dadurch den Stromfluss in dem mindestens einen Leuchtmittel (A, E) unterbricht.

2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mehrzahl von Schalteinrichtungen (S1- S4) als Triacs realisiert sind, die über eine optisch wirkende Signalübertragungseinheit (O1 . . . O5) mit der Steuerelektronik verbunden sind.

3. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schalteinrichtungen (S1-S4) als Transistoren realisiert sind.

4. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Takterzeugungseinheit (16) als Zähler oder als Frequenzteiler ausgebildet ist, der als Reaktion auf ein Eingangstaktsignal (CL) drei bis acht gegeneinander phasenverschobene Takt­ signale erzeugt.

5. Steuervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das Eingangstaktsignal (CL) aus der Netzfre­ quenz eines Versorgungsnetzes abgeleitet ist und 50 oder 100 Hz beträgt.

6. Steuervorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Eingangstaktsignal durch eine Taktgebereinheit (26) erzeugt wird, die Einstellmittel (30) zum Vorbestimmen einer Frequenz und/oder einer Im­ pulsdauer des Eingangstaktsignals (CL) aufweist.

7. Verfahren zum Steuern einer Gruppe von elektrisch be­ triebenen Leuchtmitteln (A-G) mit den Schritten:
Ansteuern einer Mehrzahl von zum gesteuerten Akti­ vieren oder Deaktivieren von jeweils mindestens einem Leuchtmittel (A-G) eingerichteten Schaltein­ richtungen (S1-S4), so dass die Leuchtmittel sich in einem kontinuierlichen Aktivierungszustand be­ finden,
periodisches, kurzzeitiges Unterbrechen des Strom­ flusses durch ein jeweiliges Leuchtmittel (z. B. A, E) mit einer Wiederholfrequenz zwischen 8 und 22 Hz und einer Unterbrechungsdauer zwischen 1 und 10 msec. durch ein jeweiliges, an die zugehörige Schalteinrichtung (S1) angelegtes Steuersignal, wobei das Unterbrechen des Stromflusses durch ein kurzzeitiges, elektrisch gesteuertes Überbrücken eines jeweiligen Leuchtmittels (A, E) bewirkt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtungen (S1-S4) sequentiell mit dem Steuersignal zum Unterbrechen des Stromflusses beauf­ schlagt wird.

9. Verwendung der Steuervorrichtung nach einem der Ansprü­ che 1 bis 6 in einer als Lichterbogen aufgebauten weih­ nachtlichen Beleuchtungsvorrichtung.