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Steuereinrichtung zur Nachbildung des Verbrennungsablaufs
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bei einer Kerzenflamme.
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Die Erfindung betrifft eine elektronische Simulation des Verbrennungsablaufes
einer Kerzenflarnme, insbesonders wie sie bei Weihnachtsbaum- und Kronleuchter-beleuchtung
mit Wachskerzen vorkommt, wo mit elektrischen Mitteln der Verbrennungsablauf der
Kerzen durch steuerbare Helligkeitswerte, die ein Glühfaden erzeugt, nachgebildet
wird.
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Einrichtungen mit Kerzenbeleuchtung, wie sie z.B. bei Weihnachtsbäumen
üblich ist, dürfen wegen der möglichen Brandgefahr nur in besonderen Räumen und
unter Aufsicht betrieben werden. In leicht brennbaren Räumen, wie auch in Theatersälen,
dürfen überhaupt keine offenen Flammen verwendet werden. Werden Glühbirnen mit konstanter
Helligkeit verwendet so haben sie den Nachteil, daß nicht der gewünschte Eindruck
eines flackernden Kerzenlichtes entstehen kann. Dies zeigt sich besonders bei Theateraufführungen,
wo bei bestimmten Stücken Kerzenbeleuchtung erforderlich wäre.
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Bei bekannten Einrichtungen zur Simulation einer Kerzenbeleuchtung
wird mittels I?elaisketten die Helligkeit eines Glühfadens durch stufenweises Zuschalten
von Widerständen beeinflußt. Sie haben außer dem akustischen Klappern den Nachteil,
daß die Nachbildung, durch das schnelle periodische Wiederkehren derselben Helligkeitsstufen,
unecht wirkt.
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Weiterhin sind Einrichtungen bekannt, wo in mit Argongas gefüllten
Röhren zwischen zwei Elektroden eine Glimmentladung entsteht und einen wandernden
Eindruck des Lichts erscheinen läßt. Dabei ist nachteilig, daß die für die
Argongasentladung
charakteristische orangerote Farbe geringer Helligkeit nicht der einer Kerzenbeleuchtung
entspricht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuereinrichtung zur
Simulation einer Kerzenbeleuchtung zu schaffen, die den Eindruck einer achten flackernden
Kerzenbeleuchtung erzeugt.
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Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß nach genauer
Analyse des Verbrennungsablaufes eine Nachbildung in der Weise erfolgt, daß Impuls
folgen mit variablem Tastverhältnis in einem Glühfaden dieselben charakteristischen
Flackererscheinungen erzeugen.
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Bei der Analyse des Verbrennungsablaufes zeigt sich, daß bei der Kerzenflamme
das Leuchten durch Glühen von kleinsten Kohlestoffteilchen verursacht wird. Die
auftretenden Intensitätsschwankungen - im folgenden als Flackern bezeichnet - sind
nur von der Sauerstoffzufuhr abhängig. Dabei treten folgende Fälle auf: 1. Bei einer
freistehenden Kerze im Raum tritt das Flakkern selten und unregelmäßig auf.
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2. Stört ein Luftstrom den Verbrennungsablauf, z.B. durch Zugluft,
so tritt ein Flackern in unregelnJäßigen Impulsfolgen zwischen 1 und 10 Hz auf,
aber es ergibt sich ein wiederholendes Erscheinungsbild. Dauerleuchten länger als
zehn Sekunden tritt nicht auf.
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3. Kommt ein einzelner kurzer XJindstoß, so tritt ein mehrere Sekunden
dauerndes Flackern ein - im folgenden als Nachflackern bezeichnet - das dann wieder
abklingt.
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4. Brennen Kerzen in Gruppen, z.B. neben- und übereinander wie beim
Weihnachtsbaum und bei Kronleuchtern, so tritt eine zusätzliche Beeinflussung durch
die Nachbarkerzen auf.
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Ursache ist der durch die unteren erzen verursachte ärmestrom, welcher
bei den darüberliegenden Kerzen eine Sauer
stoffverdrängung verursacht
und damit mit steigender Höhe bei den dort angeordneten Kerzen ein stärkeres Flackern
bewirkt.
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5. Ist eine Kerze von einem Lampenschirm umgeben wie z.B. bei einem
Windlicht, so wird der Verbrennungsablauf durch die Wärmeabstrahlung des Schirms
beeinflußt. Durch die Kaminwirkung treten starke, aber charakteristische Intensitätsschwankungen
auf.
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Insgesamt kommen 4 Helligkeitsstufen vor: dunkel, verringerte Helligkeit,
normale Helligkeit und überhell, außerdem sind 6 verschiedene Frequenzen zwischen
0,3 und 10 Hz für das Flackern bestimmend. Diesen Frequenzen müssen bestimmte Helligkeitswerte
fest zugeordnet sein.
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Zur Lösung der Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Strom
durch den Glühfaden einer kerzenförmig ausgebildeten Glühlampe durch Impulsfolgen
mit variablem Tastverhältnis und verschiedenen Frequenzen so gesteuert wird, daß
dieselben Helligkeitswerte und Flackerfrequenzen erzeugt werden.
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Zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ergeben sich aus den nachstehend
beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
FIG 1 ein Blockschaltbild der Steuerschaltung FIG 2 Prinzipschaltung zur Erzeugung
der Helligkeitsstufen und Flackerfrequenzen.
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FIG 3 Prinzipschaltung zur Verknüpfung der Helligkeitsstufen mit den
Flackerfrequenzen.
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FIG 4 Auswahlschaltung für die Glühbirnen FIG 5 Schaltung zur Erzeugung
der Steueradresse FIG 6 Prinzipschaltung des Windfühlers FIG 7 Ansteuerschaltung
für die Glühbirnen.
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FIG 8 Blockschaltbild der Steuerschaltung mit Festwertspeicher.
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Das in FIG 1 dargestellte Blockschaltbild dient zur Ansteuerung der
Glühbirnen 1 über die Treiberstufen 2 und umfaßt als wesentliche Bestandteile eine
Schaltung zur Erzeugung der verschiedenen Helligkeitsstufen 3, sowie einer Schaltung
zur Erzeugung verschiedener Frequenzen 4, welche durch die Verknüpfungsschaltung
5 mit den Helligkeitsstufen 3 moduliert werden. Die Verteilung der am Ausgang von
5 zur Verfügung stehenden helligkeitsmodulierten Frequenzen auf die Treiberstufen
2 erfolgt in der Auswahlschaltung 6. Der Taktgeber 7 wirkt auf die Auswahlschaltung
6 so ein, daß nicht alle Glühbirnen zeitgleich die modulierten Frequenzen erhalten.
Die Auswahlschaltung 6 wird außerdem vom Adresszähler 8 so angesteuert, daß schnelle
oder langsame Frequenzen bevorzugt werden, je nachdem die Zählersteuerung 9 durch
die Schalter 10 oder den Windfühler 11 beeinflußt werden.
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Die Schaltung welche die Helligkeitsstufen erzeugt, enthält nach FIG
2 eine Impulsformerschaltung 12, welche die 50 Hz Netzfrequenz der Versorgungsspannung
in für die Weiterverarbeitung geeignete Rechteckimpulse formt. Die Netzfrequenz
wurde vorteilhaft gewählt, da sie sehr zeitkonstant ist und außerdem oberhalb der
für das Auge noch sichtbaren Frequenz liegt. Die 50 Hz Impulse am Ausgang von 12
mit dem Impuls/ Pausenverhältnis 1:1 werden in der Schaltung 13, einer monostabilen
Kippstufe vorteilhaft so zeitlich beeinflußt, daß an beiden komplementären Ausgängen
der Schaltung eine Impulsfolge mit dem Tastverhältnis 3:4(H2) und 1:4(H ) zur Verfü-3
gung steht. Damit sind 4 Helligkeitsstufen durch verschiedene Tastverhältnisse erzeugt
worden: H1für normal hell, H2 für überhell, H3 für verringerte Helligkeit und keine
Impulse, stellvertretend für dunkel. Durch die Trägheit des Lampenfadens ergeben
sich dann optisch noch Zwischenwerte.
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Die Frequenz H1 wird in der Frequenzteilerstufe 14 in bekannter Weise
auf sechs, für das charakteristische Kerzenbild benötigte Frequenzen geteilt. Dadurch
haben die Frequenzen
untereinander einen bestimmten Zusammenhang,
der sich so bemerkbar macht, daß nach einer bestimmten Zahl von Impulsen alle Impulsfolgen
gleichzeitig auf Null gehen, um dann eine neue Periode zu beginnen. Dies führt zwangsläufig
zu gleichzeitigem Autreten von Dunkelzeiten, welche zu Helligkeitseinbrüchen aller
Glühbirnen gleichzeitig führt - im folgenden als Blinkereffekt bezeichnet. Um diesen
Nachteil zu vermeiden, kann in weiterer Ausgestqltung der Erfindung eine Verknüpfungsschaltung
15 so ausgelegt werden, daß die Impulsbilder der Frequenzen F1 - F6 gegeneinander
zeitverschoben sind.
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FIG 3 zeigt die Verknüpfungsstufe 16, welche die Helligkeitsstufen
H1 - H4 mit den Flackerfrequenzen F1 - F6 zu den Helligkeitsmodulierten Impulsfrequenzen
M1 - M6 verknüpft. Dabei müssen bestimmte Helligkeitsstufen mit ganz bestimmten
Frequenzen verknüpft werden. Dies ergibt 6 charakteristische Werte z.B. für M1 -
sehr starke Frequenz bei Zugluft. In FIG 3 ist als Beispiel das Impulsbild für den
Ausgang M4 eingezeichnet.
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Zur Vermeidung des Blinkereffekts ist zusätzlich ein mit 50 Rz getaktetes
Schieberegister 17 mit Verknüpfungsschaltung 17a vorhanden, welches zwei zeitverschobene
modulierte Frequenzen M7 und M8 abgibt. Damit stehen 8 helligkeitsmodulierte Frequenzen
zur Verteilung auf die einzelnen Glühbirnen zur Verfügung.
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Eine statistische Verteilung der helligkeitsmodulierten Frequenzen
auf die Glühbirnen läßt sich in einfacher Weise dadurch erreichen daß wie in FIG
4 dargestellt, für jede Glühbirne eine Auswahlschaltung 18 verwendet wird. Entsprechend
der Steueradresse wird einer der Eingänge M1 - M8 mit dem Ausgang zur Treiberstufe
2 verbunden. Zweckmäßigerweise verwendet man als Auswahlschaltung einen Datenselektor
oder Multiplexer, der 16 Eingänge je nach angelegter 4 bit Steueradresse auf einen
Ausgang schaltet. Da 8 helligkeitsmodulierte
Frequenzen auf 16
Eingänge verteilt werden müssen, ist es besonders vorteilhaft, sie wie in FIG 4
in einer Matrix mit losbzren Verbindungspunkten P auszuführen1 damit je nach gewünschtem
Erscheinungsbild schnelle oder langsame Frequenzen bevorzugt werden können. Die
änderbare Verbindung P der eich kreuzenden Leitungen wird erfindungsgemäß mittels
Miniaturschaltern, steck- oder lötbaren Brücken ausgeführt. Die Belegung der 16
Eingänge wird besonders vorteilhaft gestaltet, wenn in zwei Gruppen so aufgeteilt
wird, daß eine Gruppe für normale Windverhältnisse mit langsamen Frequenzen, die
andere für starke Zugluft mit schnellen Frequenzen belegt wird. Die Umschaltung
von einer Gruppe auf die andere erfolgt dann über die Steueradresse durch Schalter
oder Windfühler.
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FIG 5 zeigt das Blockschaltbild für die Erzeugung der Steueradresse
zur Auswahl bestimmter Frequenzen durch den Datenselektor. Sie besteht im Wesentlichen
aus dem Zähler 23, der die Adresse zunächst an den Eingang einer getakteten Kippstufe
19 liefert. Entsprechend der Adresse am Ausgang der Kippstufe, wird im Datenselektor
eine der helligkeitsmodulierten Frequenzen durchgeschaltet, Zu welchem Zeitpunkt
die Adresse von der Kippstufe an den Datenselektor weitergegeben wird, hängt von
der Taktfrequenz T für die Kippstufe ab. Diese beeinflußt daher maßgeblich die Lebhaftigkeit
des Erscheinungsbildes. Werden die Fliflops für alle Datenselektoren gleichzeitig
getaktet, so kann der Fall eintreten1 daß mehrere Glühbirnen für die gleiche Zeit
dieselbe Frequenz erhalten, was zwangsläufig zum Blinkereffekt führt. Erfindungsgemäß
erhält man im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Zeitverschiebung der Takte
dadurch, daß die voi lipulsgenerator 22 an den Zähler 21 gelieferte Frequenz vom
Dekodierer 20 auf die einzelnen Ausgänge T1 T10 nacheinander verteilt werden.
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Um eine schnellere Taktfrequenz für die Glühbirnen zu erreichentwelche
durch die Xaminwirkung bedingt, schneller
flackern müssen, wird
erfindungsgemäß der Zähler 21 über seinen Hücksetzeingang regelmäßig während des
Zählens mit einem langsamen Takt R zurückgesetzt. Damit erhalten die ersten Ausgänge
des Dekodierers häufiger einen Taktimpuls als die letzten.
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Der Adresszähler 23 liefert die Adressen, die über die bistabilc Kippstufe
19 dem Datenselektor 18 zugeführt werden. Er wird vorteilhaft als umschaltbarer
Vor-Rücl;wärtszähler ausgeführt, damit bei Vorwärtsbetrieb nur die Eingänge 9 -
15 der Auswahlschaltung 18 die mit schnellen Frequenzen belegt sind, dagegen bei
Rückwärtsbetrieb die Eingänge 9 - 0 für die langsamen Frequenzen, ausgewählt werden
können. Die Umschaltung von vor- auf rückwärts erfolgt entweder durch die Schalter
27 oder durch den Windfühler 26.
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Der Betrieb Dauerleuchten - dies entspricht dem nicht flakkern - wird
dadurch erreicht, daß der Zähler 23 über den Schalter 27 dauernd zurückgesetzt wird
und seine dazu entsprechende Adresse beim Datenslektor an alle Glühbirnen dieselbe
Helligkeitsstufe H1 durchschaltet. Die Auswahl des entsprechenden Betriebszustandes:
normal, flackern, Dauerbetrieb, Hand- oder Automatik durch die Schalter 27 erfolgt
in bekannter Weise durch Verknüpfungen in der Zählersteuerung 24. Sie enthält außerdem
eine monostabile Kippstufe 25, welche sehr kurze Fühlerspannungsänderungen vom Windfühler
26, wie sie z.B. bei einem kurzen Windstoß auftreten, zeitlich verlängert. Diese
Zeitdauer der monostablien Kippstufe 25 ist charakteristisch für das Nachflackern,
d.h. die Zeit welche eine Kerze nach einer einnaligen Störung benötigt, um wieder
das normale Flammbild zu erreichen.
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FIG 6 zeigt die Frinzipschaltung des dindgebers 26. Sie besteht aus
einer Brückenschaltung aus den Widerständen R1 und R2, sowie den temperaturabhingigen
Widerständen und X4. Der temperaturabhängige Widerstand Rls ist dabei so freistehend
angeordnet, daß er durch den Wind abgekühlt wird und damit einen höheren Widerstandswert
annimmt. Die
dadurch auftretende Brückenspannung wird verstärkt
&J über4 D einen Schwellwertschalter der monostabilen Kippstufe 25, sowie direkt
der Zählerauswahlschaltung zugeführt. Damit wird sowohl ein einmaliger Windstoß,
als auch dauernde Zugluft für die Umschaltung auf schnelle Frequenzen erfaßt.
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Der Widerstand R3 ist identisch mit 1?4 und dient zur Kompensationeder
Außentemperatur im anderen Brückenzweig.
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Zur Ansteuerung der Glühbirnen 1 kann in bekannter reise ein Leistungstransistor
2 oder eine Darlingtonstufe verwendet werden. Die erforderliche Gleichstromversorgung
muß die hohen, impulsweise auftretenden Ströme liefern können.
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Vorteilhafter ist die Verwendung von Wechselspannung und eine Phasenanschnittssteuerung
mit Triacs wie in FIG 7 dargestellt. Dabei wird in bekannter Weise über einen Verstärkertransistor
V und Zündtransformator der Triac angesteuert. Um die erforderlichen Stromflußwinkel,
entsprechend für die Helligkeitsstufen zu erhalten, wird erfindungsgemäß die Schaltung
so ausgelegt, daß anstelle der in FIG 1 dargestellten Schaltung 3 eine abgeänderte
Schaltung 27 zur Erzeugung der Stromflußwinkel tritt. Sie besteht aus drei, gleichzeitig
mit 17etzfrequenz angesteuerten Monoflop, welche an den Ausgängen entsprechend den
Helligkeitsstufen 3 verschieden lange, jedoch zum gleichen Zeitpunkt beginnende
Impulse liefert. Der übrige Schaltungsaufbau bleibt unverändert.
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Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der Gesamtschaltung zur Nachbildung
des Verbrennungsablaufes einer Kerze wird erfindungsgemäß ein Festwertspeicher verwendet.
Dies kann ein selbstprogrammierbarer oder durch seine Maske festgelegter Speicher
sein. Vorteilhaft ist der Festwertspeicher dadurch, da durch Programmierung jeder
beliebige Helligkeitswert und Impulsfolgefrequenz festgelegt werden kann.
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FIG 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bestehend aus dem Adresszähler(29),
dem Impulsgenerator(28), der Adresszählersteuerung
(31), dem Festwertspeicher(50),
sowie der Treiberstufe(2) und der Glühbirne (1). Jeder Glühbirne ist ein Teil des
Festwertspeichèr{30) zugeordnet. Je nach Adresse des Adresse zählers(29) liefert
der Festwertspeicher(30) am Ausgang eine Folge von 0 und l-erten, im folgenden als
Bitfolge bezeichnewt. Da das charakteristische Erscheinungsbild einer Einzelkerze
aus ganz bestimmten Impuls/Pausenverhältnissen besteht, wird erfindunsgemäß das
Impulsbild als Bitfolge dargestellt. So wird für normale Helligkeit(Tastverhältnis
1:1) die Folge 110011001100usw, für überhell(3:1) 11101110 usw, für verringerte
Helligkeit(1:4) 100010001000usw und für dunkel OOOOOOOOusw. ausgegeben. Entsprechend
der Zählersteuerung(31) bestimmt der Adresszähler(29) aus dem Festwertspeicher(30)
die zur Erzeugung der Helligkeitswerte und Frequenzen entsprechenden Bitfolgen mit
einer vom Taktgeber(28) erzeugten Folgefrequenz von mindestens 200 Hz.
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Die Adresszählersteuerung(31) steuert entsprechend dem Betriebszustand,
durch Schalter oder bJindfühler ermittelt, den Adresszähler. Dieser gibt nun die
entsprechenden Adressen an den Festwertspeicher, der daraufhin seine Bitfolge ändert.
Um eine liiederholung desselben musters nach kurzer Zeit zu vermeiden, muß die Speicherkapazität
mindestens so groß gewählt werden, daß die Periodizität größer als 15 Sekunden beträgt.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung liegt darin, daß mit einfachen
elektrischen Mitteln der Verbrennungsablauf einer Kerzenflamme in allen möglichen
Betriebszuständen ohne mechanische Stellglieder wirklichkeitstreu nachgebildet werden
kann.