DE4214882A1 - Halbwellenaustastvorrichtung fuer elektrische gluehlampen und andere wechselstrombetriebene verbraucher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Austastvorrichtung zur periodischen Unterdrückung von im wesentlichen ganzen Halbwellen­ zügen eines Wechselstromes nach Anspruch 1, wobei die nicht-unter­ drückten Wellenzüge weitgehend vollständig belassen sind, so daß dadurch die durchschnittliche Gesamtleistungsaufnahme eines mit einem Wechselstrom gespeisten Verbrauchers herabgesetzt wird. Die beschriebene Vorrichtung vermag insbesondere auch die Wolfram-Ver­ dampfungsrate von Glühlampen zu reduzieren und kann deshalb sehr wirkungsvoll und in gewünschter Weise zur Verbesserung des Produk­ tes: ENERGIEERSPARNIS×LEBENSDAUER×ERKENNBARKEIT bei Leucht- und Hindernisfeuern und Verkehrssignallampen herangezogen werden. Für die Erzielung extremer Lebensdauern muß dabei zusätzlich die mittlere Lampenspannung, insbesondere im Hochvoltbetrieb (220 V) nach Anspruch 11, zur Vermeidung von Elektromigration am Wolfram- Wendel möglichst entsprechend Anspruch 2 gleichspannungsfrei bleiben. Unter Elektrcmigration wird hier die Wanderung der Wol­ framatome des heißen Glühfadens im elektrischen Feld verstanden, welche wegen der Anisotropie der Kristallachsen im Wolframgitter und der sich dadurch bildenden sägezahnartigen Materialeinschnü­ rungen bzw. "Gleichstromätzungen" zu lebensdauervermindernden Querschnittsverjüngungen und damit zu Bereichen erhöhter Tempera­ tur und Feldstärke führen, welche einen frühzeitigen Bruch des Glühfadens herbeizuführen vermögen. Wegen weiterer Einzelheiten sei dazu auf Journal of Applied Physics "Electrotransport of Tungsten and Life of a Filament" Vol. 39/13, Dez. ′68, verwiesen. Bekannt sind Vorschaltgeräte zur Verringerung von Elektromigration bei gleichstrombetriebenen Glühlampen aus der Patentanmeldung DE 39 20 847 und Verfahren zur schonenden und mikrorißfreien Verarbei­ tung von Wolfram-Wendeln nach DE 20 02 087. Stand der Technik sind auch jede Halbwelle gleich beeinflussende Helligkeitssteuerungen, die jedoch eine Farbtemperatursenkung nicht in eine Kontrasterhöh­ ung umzusetzen vermögen, und zumeist auch nicht genügend Lampen­ schonend sind.

Die gewünschte Gleichspannungsfreiheit erhält man, wenn wenigstens die Anzahl der eingetasteten oder die Anzahl der ausgetasteten Halbwellen gemäß der Ansprüche 3 oder 4 gerade sind. Der je­ weils komplementäre Teil darf dann ungerade entsprechend Anspruch 5 oder 6 bleiben. Abb. 1 zeigt dazu verschiedene "erlaubte" Rhythmen oder Burstsequenzen zur Veranschaulichung. Dabei zeigen Abb. 1A bis 1C Beispiele für einfache Sequenzen nach Anspruch 1 mit Einschaltdauern von 2, 3 und 4 Halbwellen und Ausphasen von jeweils einer Halbwelle weniger, teilweise auch dadurch gekenn­ zeichnet, daß entsprechend Anspruch 7 der Verbraucher schon im Mit­ tel jeweils bis zur nächsten Austastphase gleichspannungsfrei be­ trieben ist. Abb. 1D zeigt ein Beispiel für eine nach Anspruch 2 erst im Mittel einer ganzen Periode gleichspannungsfreie Mehrfach­ sequenz, weil die gesamte Anzahl ausgetasteter Halbwellen in einer Leistungsperiode (=hier eine halbe Spannungsperiode): 2×Ungerade = Gerade ist. Als mehrfach-sequentielle Austastung soll hier auch noch gelten, wenn der Verbraucher zwar einem schlichten Halbwellen­ betrieb unterliegt, dieser sich jedoch - im Gegensatz zu bekannten, durch eine Halbwellendiode nicht gleichspannungsfrei betriebenen Glühlampen - nach jeder Betriebspause umpolt. Der Einsatz erfindungs­ gemäßer Signallampenvorrichtungen nach Anspruch 8, und vorzugsweise für (Straßen-) Verkehrssignallampen nach Anspruch 9, führt also zu einem vibrierenden, irisierenden oder "geriffelten", lebhaften Lichteindruck mit - im Verhältnis zu dem nunmehr geringeren Stromver­ brauch - wesentlich gesteigerter Erkennbarkeit, insbesondere bei Ge­ genlicht (Phantomschutz). Nachts verringern sich bei erhöhtem Kon­ trast auch noch Blendwirkung und Verwechselbarkeit mit bunter Licht­ reklame. Durch die Modulation erhöht sich auch die psychologische Wirkung erfindungsgemäß betriebener Lichtzeichenanlagen. Die Erfin­ dung kann aber auch als Vorwarnanzeige und dabei vielleicht sogar zur Einsparung einer Signalleuchte (Ansprüche 46 und 47) dienen. Es können unterschiedlichen Ampelphasen (gemäß Anspruch 10 insbeson­ dere rot oder grün) auch verschiedene Sequenzen zugeordnet sein. Bei sinkendem Gesamtstromverbrauch können die gewünschten Farb­ temperaturwerte periodisch erreicht oder gar überschritten werden. Nun soll auch die große Lebensdauerverlängerung einer erfindungs­ gemäß mit einem Lampenstrom nach Abb. 1A betriebenen Lampe um mehr als Faktor 3 erklärt werden. Der Rhythmus ist hier: zwei Halbwellen an und dann eine aus. Dabei ist die erste Halbwelle noch unteraktiv und die letzte praktisch unaktiv, weil elektrisch aus. Nur die zweite Halbwelle der An-Phase ist quasi vollaktiv. Dabei ist hier sogar noch unberücksichtigt geblieben, daß die Wolfram-Verdampfung aus thermodynamischen Gründen etwas verzögert einsetzt, also wenn die zugeführte elektrische Leistung schon wieder abnimmt. Bei 67% Einschaltdauer beträgt die Stromaufnahme etwa 74% der Vollast. Wenigstens bei entsprechender Erhöhung der Lampenleistung um ca 1/3 (z. B. von 54 Watt auf 75 Watt, oder von 75 Watt auf 100 Watt) nach Anspruch 21 ergibt sich dann mindestens wieder die gleiche Erkennbarkeit bei insgesamt etwa gleichem Ener­ gieverbrauch. So wird zudem der Einsatz stärkerer Lampen mit ihrem besseren Spektrum, ihrer höheren Stoßfestigkeit, und auch dadurch wiederum höherer Lebensdauer ermöglicht, so daß man hier insgesamt leicht eine vierfache Lampenlebensdauer erhält. Wegen ihres unpro­ blematischen Einsatzes empfiehlt sich eine erfindungsgemäße Vor­ richtung ganz besonders für die am meisten sicherheitsrelevanten, roten Signalleuchten. Die Erkennbarkeit einer Modulation ist na­ türlich auch eine Funktion der Glühfadenwärmekapazität, so daß insbesondere bei mit Niedervoltlampen bestückten Signalanlagen nach Anspruch 12 eine Verlängerung der Burstsignale gegenüber der in Abb. 1 dargestellten Beispiele für einfach- und mehrfach sequentielle Halbwellenmuster zu empfehlen sein kann.

Bei Anspruch 13 arbeitet die vorliegende Erfindung in einer mit Niedervoltlampen bestückten Hochvoltsignalanlage, in welcher die bei Niedervoltsignalanlagen normalerweise vorhandenen (kostenin­ tensiven) Hürden von Zuleitungswiderständen und Anschlußsicher­ heit dadurch gelöst werden, indem jede einzelne Lampe in ihrer unmittelbaren Nähe mit ihrem eigenen Transformator versehen ist, welcher primärseitig in Hochvolttechnik angesteuert wird. Hier müssen die Bursts natürlich auch schon für die korrekte Arbeits­ weise der vorzugsweise mit Thermosicherungen versehenen Trans­ formatoren im Mittel gleichspannungsfrei sein.

Insgesamt ermöglicht die Erfindung durch die erzielbare Lebens­ dauerverlängerung auch die preiswerte Verwendung aufwendiger ge­ bauter Leuchtmittel, z. B. von Hochvolt-Xenon-Lampen mit eigenem Recycling-Zyklus oder von Lampen mit integriertem Ringspiegel. Auch läßt sich gegenüber herkömmlichen Signallampen durch geeig­ nete Bemessung der Lampenbetriebsspannung ebenfalls eine hohe Farbtemperatur oder gar eine Steigerung des Farbtemperatur-Spit­ zenwertes gemäß Anspruch 14 und 15 bei ebenfalls hoher Lebens­ dauer erreichen, was der Ausbeute sehr zu Gute kommt. Gerade hohe Farbtemperatur-Spitzenwerte von über 2700-2900 K führen zu kurzen Relaxationszeiten, was für Niedervoltlampen mit ihrer großen Wärmeträgheit wichtig ist, will man auch hier eine sicht­ bare Vibration bei nur kurzen Burstsequenzen erhalten. Je häufi­ ger und länger die Austastphasen sind, umso günstiger werden Energieverbrauch und Lebensdauerverlängerung durch unaktive und letztenfalls auch durch unteraktive Phasen, so daß auf diese Weise eine Lebensdauer- und energiesparend optimierte Betriebs­ weise gemäß Anspruch 18 angestrebt werden kann. Dabei sollen die Ausphasen auch wieder nicht so lang sein, daß der Glühfaden inzwischen zusehr erkaltet oder die Signallampe gar "aus" ist.

Liegen gemäß Anspruch 19 auch sämtliche Hauptschaltphasen aus­ schließlich im Nulldurchgang des Betriebswechselstromes, ergibt sich ein einschaltstromstoßfreier Betrieb, was insbesondere der Einsatzmöglichkeit mehrfach gewendelter Lampen (bei Hochvoltlam­ pen besonders wichtig) zu Gute kommt, welche zwar bekanntlich eine höhere Lichtausbeute als einfach gewendelte Lampen haben, weil weniger Wärme durch die geringere Anzahl erforderlicher Wendelaufhängungen abgeführt wird, jedoch normalerweise infolge kräftiger Einschaltstromspitzen leicht einer nur statistisch einschätzbaren, frühzeitigen Zerstörung durch magnetisch indu­ zierte Resonanz, zu hohe Magnetostriktion und zu rasche thermi­ sche Extinction unterliegen können, was gerade bei der hohen Schalthäufigkeit von Straßenverkehrssignalanlagen nachteilig ist und die gewöhnliche Lampeneinschaltung leicht zu etwas "Unoffi­ ziellem" macht. Verbessernläßt sich dies durch eine netzsynchron nur im Nulldurchgang schaltende Signalanlage oder etwa durch eine gesonderte Verzögerung aller Hauptschaltphasen bis zum näch­ sten Nulldurchgang, was sich etwa mit einem als Nulldetektor ar­ beitenden Komparator erreichen läßt, welcher nur während der Wechselstrom-Nulldurchgänge ein D-Flip-Flop (auch als Data-Latch bezeichnet) taktet, welches dann die an seinem Dateneingang lie­ gende "An"-Information für die betreffende Lampe in seinen Aus­ gangspuffer übernimmt und nun erst die Lampe schaltet.

Ausführliche Experimente, auch mit Unterstützung eines Lampen­ mikrofons (Schallemissionsanalyse), haben gezeigt, daß die auf diese Weise erzielte Verlangsamung ausreicht, um die Resonanz­ bildung genügend zu unterdrücken. Gerade wegen der statistischen Bedeutung von Anspruch 19 darf hier nicht unerwähnt bleiben, daß die Schaltvorgangswahrscheinlichkeit in Nulldurchgangsnähe wegen des sinusförmigen Wechselstromverlaufs nur gering ist, so daß die Einschaltspitzen wegen des sehr niedrigen Lampenkaltwider­ standes meist beträchtlich sind.

In diesem Zusammenhang ist auch wichtig, daß bei gleichmäßiger Ab­ dampfung des Wolfram-Fadens erst eine kontinuierliche Verringerung der Lampenleistung eintreten müßte. Erfahrungsgemäß tritt aber ein frühzeitiger Bruch an Unstetigkeitsstellen auf. Niedervoltlampen erlauben höhere Wolfram-Verdampfungsraten.

Die Abb. 2A-2C zeigen schematisch die Einschleifung einer erfindungsgemäßen Halbwellenaustastvorrichtung an einen Wechsel­ stromverbraucherkreis, hier an eine Lampenschaltanlage, enthaltend ein Lampenarray L1 . . . L3 bzw. ..Ln mit den zugehörigen Schaltern S1 . . . S3 bzw. . . . Sn. Dabei zeigt Abb. 2A den Einsatz der Halbwel­ lenaustastung H allgemein. Etwa gemäß Anspruch 13 ist die Lampe L3 dabei beispielsweise als Niedervoltlampe mit dem Transformator TR versehen. Hier ist also die gemischte Bestückung mit Hoch- und Niedervoltlampen angedeutet. Die Darstellung jeder Lampe kann na­ türlich praktisch auch eine Parallelschaltung aus mehreren gleich zu taktenden, vorzugsweise gleichbedeutenden, Signallampen reprä­ sentieren.

Bei Abb. 2B liegt die konkrete Ausgestaltung der erfindungs­ gemäßen Halbwellenaustastung mit 3 Anschlußpunkten, also als Drei­ punktanordnung H(3) vor, wie sie wieder einer Lichtzeichenanlage L1 . . . Ln mit ihrer Steuerung S1 . . . Sn vorgeschaltet sein kann. Hier kann die Länge der Aus- und Eintastimpulse etwa durch eine Zähler­ anordnung für die Anzahl der Nulldurchgänge N oder durch passende Zeitglieder bestimmt sein. Die erfindungsgemäße Austastvorrichtung kann dabei mit einem eigenen Leistungsschalter versehen sein oder aber ihre digitalen Austastsignale können den Lampensteuersignalen zur Einsparung eines zusätzlichen Leistungsschalters mit seinem unvermeidbarem Spannungsabfall hinzugemischt werden und dadurch ihre lebensdauerverlängernde Wirkung über genügend schnelle und auf diese Weise doppelt genutzte Leistungsschalter entfachen.

Abb. 2C zeigt dagegen eine als Modul besonders leicht in eine Versorgungsleitung eines beliebigen Wechselstromverbraucherkreises einschleifbare Zweipunktanordnung der erfindungsgemäßen Halbwellen­ austastung H(2). Etwa über einen Ladekondensator als Energiespei­ cher muß sich die - vornehmlich in Lowpower-Technik ausgeführte - Schaltung ausschließlich über ihre "Aus"-Phasen speisen, weil sie sich sonst ja selbst kurzschließt. Auch die Gewinnung der Null­ durchgangs-Informationen während der "Ein"-Phasen ist nun aus glei­ chem Grund schwierig, so daß die Anzahl der "Ein"-Phasen hier vor­ zugsweise durch ein Zeitglied bestimmt wird. Dieses kann etwa mit konventionellen RC-Zeitkonstantengliedern aufgebaut sein und dabei durch geeignete Schaltungstechnik die nötige Temperaturstabilität erhalten, oder aber eine digitale, auch als integrierte Schaltung schon fertig erhältliche Timerschaltung - bestehend etwa aus einem Quarzoszillator mit nachfolgender Zählerschaltung und Ablaufsteue­ rung - enthalten. In jedem Fall führt eine Zeitkonstantenerhöhung stets ab einem bestimmten Schwellwert zu einer sprungartigen Erhö­ hung der jeweiligen Halbwellen-Modenzahl, wenn die erfindungsgemäße Austastvorrichtung konsequent mit einem kontinuierlich einstellba­ ren Zeitglied ausgestattet ist. Möchte man auf eine Timerlösung verzichten, müßte man sich hier schon mit einem Stromwächter oder einem phasengerasteten Regelkreis gemäß Anspruch 50 für die Nulldurchgän­ ge behelfen. Abb. 3A zeigt zur Erläuterung des Ablaufs einer zählergesteuerten Halbwellenaustastvorrichtung nochmals eine elemen­ tare "Schneckenfolge", wie sie mit einer solchen erfindungsgemäßen Austastvorrichtung erzielbar ist. Abb. 3B zeigt einen dazu passenden Sollverlauf zur Ansteuerung eines dafür vorgesehenen Thy­ ristor- oder Triac-Schalters. Weil ein derartiger Schalter sich erst durch eine Stromunterbrechung wieder zurücksetzt, braucht das Ansteuersignal nicht unbedingt ganz bis zum nächsten Nulldurchgang anzuliegen, sondern kann schon vorher wieder erlöschen.

Abb. 3C zeigt schematisch die digitalen Nulldetektorsignale, hier in invertierter Darstellung, wie sie etwa mit einer geeigne­ ten Komparatorschaltung gewonnen werden können. Diese Signale sind nur zur Veranschaulichung so breit dargestellt. Man wird sie in der praxis schmaler wählen, um den Nulldurchgang genauer zu tref­ fen.

Die in der Diagrammebene 3D enthaltenen Impulse haben die gleichen Anstiegsflanken wie die Nulldetektorsignale, sind jedoch breiter. Es handelt sich hierbei um die mit einem Zeitkonstantenglied bzw. mit einem sog. Monoflop verbreiterten Nulldetektorsignale. Dieses Monoflop dient der Unterdrückung von Störimpulsen, denn falls im Nulldurchgang Störungen oder höherfrequente Schaltsignale auf der Netzleitung liegen, wird durch die nun vorhandene Mindestzeitkon­ stante jegliche Nachtriggerung des Zählers wirkungsvoll vermieden. Ferner ab vom Nulldurchgang müßten diese unerwünschten Störungen schon ganz erhebliche Amplituden aufweisen, was in der Praxis wegen der dabei geforderten Leistungen nicht vorkonmen kann.

Die Diagrammebene 3E schließlich zeigt das Ausgangssignal einer solchen voll-digitalen Halbwellenaustastvorrichtung, wie es dann schließlich einen passenden Leistungsschalter, wie etwa einen Tri­ ac oder einen Leistungs-Feldeffekttransistor anzusteuern vermag.

Abb. 4 zeigt eine einfache Ausführungsform einer den Diagram­ men entsprechenden Anordnung. Aus Gründen der Potentialtrennung wird die Schaltung über einen Transformator mit anschließender Gleichrichterbrücke gespeist, von der auch die Nulldetektorsignale abgenommen werden. Dabei speist das Rückstromventil D5, vor dem ja auch die Nulldetektorsignale abgenommen werden, den Ladekondensator CL und den Eingang "IN" des Spannungsreglers R.

Den Nullkomparator bildet hier der NPN-Transistor T mit seinem Vorwiderstand RB und seinem Nullungswiderstand RN. Er schaltet das aus drei Gattern und dem Zeitkonstantenglied CT und RT beste­ hende Entstör-Monoflop, wie schon bei Abb. 3 besprochen. Der Monoflop-Ausgang taktet über Anschluß 1 die integrierte, negativ­ flankengetriggerte Zählerschaltung "CD 4024", über deren Rück­ setzleitung "RESET" die Halbwellenzahl einer Gesamtperiode mit Hilfe eines Diodenarrays binär programmierbar ist. Auch die An­ zahl der aufeinanderfolgenden "Aus"-Perioden kann bei dieser pro­ grammierbaren Universalschaltung über eine weitere Schalteranord­ nung wählbar gehalten werden. Dies ist hier nur mit dem Schalter S5 angedeutet, welcher hier über einen weiteren Dioden-Decoder zwischen 1 oder 2 Halbwellenlängen der "Aus"-Phase zu wählen ge­ stattet. Unterbricht S5, setzt nämlich nicht nur der Zählerstand "Null" den Ausgang auf "Aus", sondern auch noch der unmittelbar folgende Zählerstand "Eins". Das Ausgangssignal kann noch vor der Zuführung an den eingezeichneten Triac mit einem stromverstärken­ den Transistor gepuffert werden oder, wie besprochen, der allge­ meinen Steuerung einer Lichtzeichenanlage beigemischt werden. Während des Schaltens auftretende Transienten oder "Spikes" müs­ sen möglicherweise noch durch ein zusätzliches Mikrosekundenfil­ ter unterdrückt werden. Es gibt aber auch programmierbare, ferti­ ge Zähler-IC′s, die dieses Bit-Rauschen gleich unterbinden. Die beschriebene Schaltung soll nur ein Ausführungsbeispiel sein. Insgesamt kann über die zwei Dekoder bildende Matrix aus 2×4 Dioden auch ein schaltersparendes Festprogramm, etwa mit den zwei Möglichkeiten "Niedervolt - Hochvolt", gewählt werden. Durch Steuerung der Dreipunktaustastvorrichtung durch eine - vorzugs­ weise nichtnachtriggerbare - Zeitgeberanordnung anstatt durch eine Zählschaltung kann die Störempfindlichkeit bei sehr unsauberem Netzwechselstrom noch weiter gesenkt werden.

Abb. 5 zeigt schematisch eine aufwendig und professioneller gestaltete Nulldetektorschaltung. Die Transformator-Sekundärwic­ klung mit Mittelpunktanzapfung stellt wieder die (hier symmetri­ sche) Versorgungsspannung und speist den Tiefpaßfilter F1. Das Kerbfilter F2 unterdrückt etwa Schaltsignale, z. B. bei 700 Hz. Alle durch den Transformator, F1 und F2 verursachten Phasendre­ hungen werden mit dem abgleichbaren Korrekturglied kompensiert. Findet die Korrektur an dieser Stelle statt, kann dazu gut ein in C angedeutetes Allpaßfilter verwendet werden. Hinter dem Kompara­ tor kann dieser Phasenabgleich dagegen durch ein veränderbares Zeitkonstantenglied mit Digitalausgang vorgenommen werden. Der besonders übersteuerungsfeste Verstärker V1 setzt dann das Signal um einen ordentlichen Faktor herauf, bevor es dann über eine aus Inverterstufe V2 und 2 Dioden bestehende Brückengleichrichteran­ ordnung der Nulldetektorschaltung Z zugeführt wird. Nochmals zur Unterdrückung von Störimpulsen folgt diesem Nullkomparator wieder ein Monoflop M, welches das Nullsignal um einen deutlichen, aber nicht genau festzulegenden Faktor zu verlängern vermag, und den Ausgang dieser Triggeranordnung bildet. Der Anschluß "Output" führt dann etwa wieder zur programmierbaren Halbwellenaustastvor­ richtung. Diese ganze Schaltung kann übrigens auch galvanisch mit dem Netz gekoppelt werden und dann etwa über einen Optokoppler den Leistungsschalter betätigen. Durch Ausführung aller Schalt­ vorgänge in Nulldurchgangsnähe bleiben Funkstörungen naturgemäß sehr gering, besonders, wenn der Schaltvorgang noch durch eine einstellbare Flankenverzögerung genau auf Null abgeglichen wird. Die noch in den Hochfrequenzbereich reichenden Komponenten des Austastspektrums selbst sind naturgemäß sehr gering, da die Fou­ rierterme hier steiler als 1/n abnehmen, was auch für die Reso­ nanzbildung in der Lampe selbst wichtig ist, und die Geräuschlo­ sigkeit erfindungsgemäß aus dem Kalten getasteter Lampen erklärt.

Reststörungen können gemäß Anspruch 20 mit geeigneten Funkent­ störmitteln noch weiter vermindert werden. In Abb. 6 sind diese Bauelemente als L und C eingezeichnet. Entsprechend An­ spruch 24 dient ein Thyristor TH als Leistungsschalter, der im polaren Zweig eines Brückengleichrichters D1-D4 einer gemäß Anspruch 29 ausgeführten Eindrahtanordnung liegt. Die schema­ tisch angedeutete Detektor- und Zeitkonstantenschaltung wird hier über den Ladekondensator CL, einen Vorwiderstand R und ei­ ne Z-Diode ZD gespeist. Ein- und Austastzeit werden hier gemäß Anspruch 30 und 32 jeweils unabhängig voneinander vermittels P1 und P2 gewählt, wobei sich dann die jeweilige Modenzahl beim Erreichen einer bestimmten Einstellgrenze, von der aus die Ein­ stellung dann wieder aus Toleranzgründen etwas zurückgenommen wird, sprungartig ändert. Nach Anspruch 25 hätte hier - je nach gefordertem Schaltstrom - als Schaltelement etwa auch ein Leis­ tungsfeldeffekttransistor mit seiner statischen Gatesteuerung als Schalter verwendet werden können. Dann läßt sich über eine Verlangsamung dieser Gatesteuerung die gewünschte Verringerung von Restfunkstörungen ebenfalls erreichen.

Die Zeitkonstanten von Signalsicherungseinrichtungen und Lampen­ ausfalldetektoren müssen bei dieser Erfindung gemäß Anspruch 22 entsprechend bemessen sein, damit die gewollten Leerphasen nicht zu Fehlermeldungen führen. (Natürlich ist auch eine Austastung der Lampenausfalldetektoren möglich, jedoch wird man diesen Weg aus Sicherheitsgründen nicht gehen.) Bei Verbrauchern und Signal­ anlagen mit mehreren Halbwellenaustastvorrichtungen, auch etwa für Drehstromspeisung, empfiehlt sich - gemäß Anspruch 23 bei ho­ hem Leistungsverbrauch schon zum Zwecke des Lastausgleichs -eine Synchronisation zwischen den einzelnen Steuereinheiten, damit die Leerphasen aller Austastvorrichtungen nicht gleichzeitig liegen.

Abb. 7 zeigt wieder zur Erläuterung ein koinzidierendes Im­ pulsdiagramm für eine Zweipunktaustastvorrichtung. Während 7A wie­ der das zu erzielende Ausgangssignal darstellt, zeigt 7B das in­ vertierte Null-Detektorsignal. Da sich die Schaltung -wie schon erwähnt- von selbst kurzschließt, steht es über die ganze Eintast­ zeit auf "logisch 1". Abb. 7C zeigt die mit einem kleinen RC- Glied aus diesem Nullsignal gewonnenen Schaltflanken, welche ein als Zeitglied dienendes, einstellbares Monoflop mit dem in 7D dar­ gestellten Ausgangssignal triggern, welches wiederum einen Triac als selbst haltenden Leistungsschalter zu betätigen vermag. Abb. 8 skizziert eine einfache Schaltung zur ausschließlichen Eintastung eines Wechselstromverbrauchers im Nulldurchgang gemäß Anspruch 26, wie sie sogar schon in einem Glühlampensockel unter­ gebracht oder zur raschen Nachrüstung einfacher Lampenschaltanla­ gen verwendbar ist. Wird gerade unter Spannung geschaltet, unter­ drückt TC2 den Zündimpuls für den Triac TC1, bevor sich das Gate- Signal leicht verzögert über das Zeitkonstantenglied R und C auf­ baut. Im Nulldurchgang dagegen wird TC1 vor Erreichen der Schwel­ lenspannung von TC2 gezündet. Anstatt von Thyristoren ist hier na­ türlich auch eine passende Transistoranordnung verwendbar. Durch das RC-Glied wird TH1 dann im laufenden Betrieb vorteilhafterweise direkt im Nulldurchgang gezündet. Eine derartige Schaltung ist üb­ rigens auch gut als Modul oder integrierte Schaltung in 2- oder 3- Punktanordnung integrierbar. Anstatt einer doppelpoligen Z-Diode ZD ist auch ein VDR-Widerstand zur Schwellwertbildung verwendbar. Der Triac TC1 darf sich hier nicht durch einen steilen Einschalt­ sprung von selbst betätigen. Abb. 9 zeigt eine voll galvanisch ge­ koppelte und in Low-Power-Technik ausführbare Austastvorrichtung mit Fenster- bzw. Absolutwertkomparator, bei welcher die Dauer des Triac-Steuer-Stroms gemäß Anspruch 43 zur Eintastung im Nulldurch­ gang und auch zur Energieeinsparung durch das wieder mit der Zeit- Konstante CT×RT versehene Monoflop M zeitlich sehr reduziert wird.

Die Einweggleichrichter D1 und D2 bilden hier mit den Hochvolt- Ladekondensatoren CL1 und CL2 und den Z-Dioden ZD1 und ZD2 die symmetrische Versorgung für den hier als Komparator arbeitenden Operationsverstärker des gemäß Anspruch 39 ausgeführten symmetri­ schen Nulldetektors K, ab dessen Ausgang nur noch die positive Versorgung benötigt wird. Schalter S schaltet hier symbolisch die Signallampe Sig. hauptphasig nach Anspruch 19 und wird jeweils ab dem nächsten Nulldurchgang einschaltend wirksam. Der Schaltpunkt- Feinabgleich mit Hilfe des Abgleich-Gliedes C sollte hier wie allgemein gemäß Anspruch 37 schon vor der Freigabe und natürlich nicht erst in situ vollzogen werden. Der Zähler Z ist hier nur symbolisch angedeutet und wird in seiner Ausführung den jeweili­ gen Erfordernissen genau angepaßt.

Wird eine erfindungsgemäße Austastvorrichtung durch beide Halb­ wellen des Lichtnetzes und gemäß Anspruch 38 über einen Vollweg­ gleichrichter synchronisiert, wird man zur Erzielung der Gleich­ spannungsfreiheit des Verbrauchers gemäß Anspruch 40 zu einem potentialtrennenden Mittel greifen.

Abb. 10 zeigt ein doppeltes Halbwellendiagramm zur verschie­ den-sequentieller Speisung unterschiedlicher Signallampen gemäß Anspruch 41. Die beiden Sequenzen sind untereinander zum Zwecke des Lastausgleichs gemäß Anspruch 23 dahingehend korreliert, daß nie ein unbelasteter Zustand eintritt. Gemäß Anspruch 48 erhält hier die gegen Rotverschiebungen empfindlichere Grünphase die längere Eintastdauer. Dabei kann die rote Lampe gemäß Anspruch 21 durch eine um das 4/3fache stärkere Lampe ersetzt sein und 4- bis 5fache Lebensdauer haben, während die grüne Lampe normale Leistung und 2,5- bis 3fache Lebensdauer hat, so daß der Auswechselzyklus auf das Dreifache verlängert werden kann.

Wird eine Lichtzeichenanlage stationär mit der Halbwellenaustastung betrieben, unterstützt nach Anspruch 44 die hierdurch erzielte Kon­ trasterhöhung den herkömmlichen Phantomschutz. Zusätzlich kann dieser Betrieb mit einer wie in Abb. 11 schematisch dargestellten digi­ talen Helligkeitsstellung für den Tag-Nacht-Betrieb nach Anspruch 45 kombiniert werden, etwa indem der Modenzähler über weitere Gatter e­ lektrisch steuerbar gehalten ist, und ermöglicht dadurch eine weitere Lebensdauerverlängerung und Energieeinsparung. Weil die dabei auftre­ tenden Eintastmoden mal geradzahlig nach Anspruch 3 und mal ungerad­ zahlig nach Anspruch 5 sein können, ist die Zahl ausgetasteter Halb­ wellen in Abb. 11 gerade gemäß Anspruch 4 gewählt, damit man auch hier ein gleichstromfreies Speisesignal nach Anspruch 2 erhält. Bei Anspruch 46 dagegen wird die Erfindung nicht lebensdauerverlän­ gernd, sondern - etwa als überbrückbare Schaltung - zur Vorwarnanzeige genutzt, was im Extremfall zur Einsparung eines Lichtzeichens führt.

Bei Anspruch 49 werden die Nulldurchgangsinformationen beider Halb­ wellen aus nur einer Halbwelle gewonnen, indem kleine +/--Unsymmetrien über den Startpunkt der Nulldetektion zugelassen werden, wie in Abb. 12 skizziert. Die in Fig. 12B dargestellten Intervalle T sind etwas kürzer als die in 12A dargestellten Halbwellen. T triggert ein Mono­ flop M1 (Fig. 12D). Das invertierte Signal von T (Fig. 12C) triggert etwa ein zweites Monoflop M2 (Fig. 12E). Deren Summenausgangssignal schließlich liefert für jeden Nulldurchgang einen Impuls (Fig. 12F).

Abb. 13 schließlich zeigt eine Ausführungsmöglichkeit dazu. An der Z-Diode ZD erscheint ein einphasig gleichgerichteter Strom, der sowohl der Speisung als auch der Nulldetektion dient. Die beiden gleichen Monoflops M1 und M2 werden hier von Gatter und Schmitt-Trig­ ger gesteuert. Um Nachtriggerungen des Zählers Z zu verhindern, ist deren Zeitkonstante wieder etwas länger gewählt, und ein drittes Monoflop M3 mit kurzer Zeitkonstante pulst hier den über einen Hoch­ voltschalttransistor geführten Triac-Steuerstrom nach Anspruch 43. Bei Überbrückung des Zählers erhält man wieder eine einfache Vor­ richtung zum stoßstromfreien Einschalten ohmscher Lasten.

Claims (50)

1. Vorrichtung für die periodische Austastung von Wechselstrom- Halbwellen für Wechselstrom-gespeiste Verbraucher, gekennzeichnet durch die periodische Unterdrückung oder Austatung einzelner Wechselspannungshalbwellen oder Wechselspannungshalbwel­ lengruppen mit einer sich auf mehr als zwei Halbwellen erstreckba­ ren Gesamtperiode.

2. Anordnung zur periodischen Halbwellenaustastung wie in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbraucher insgesamt im Mittel gleichspannungsfrei betrieben werden.

3. Anordnung zur Halbwellenaustastung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine gerade Anzahl eingetasteter Halbwellen.

4. Anordnung zur Halbwellenaustastung nach Anpruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine ungerade Anzahl der eingetasteten Halbwellen.

5. Anordnung zur Halbwellenaustastung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine ungerade Anzahl der ausgetasteten Halbwellen.

6. Anordnung zur Halbwellenaustastung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine ungerade Anzahl der ausgetasteten Halbwellen.

7. Anordnung zur mehrfach-sequentiellen Halbwellenaustastung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliche Leistungsperioden vorhanden sind (innerhalb derer noch keine Spannungsfreiheit bestehen muß, wenn Anspruch 2 erfüllt sein soll).

8. Halbwellenaustastanordnung für Wechselstrombetrieb nach einem der genannten Ansprüche oder sonstige Rhythmussteuerung für häufig betätigten Leistungsverbraucher, dadurch gekennzeichnet, daß diese Steuerung (zur Erzeugung "geriffelten Lichtes") eine Signallampe, inbesondere mit in­ tegriertem Ringspiegel, speist.

9. Halbwellensteuerung für Signallampe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Signallampe um eine Verkehrssignallampe, vorzugsweise um eine Straßenver­ kehrssignallampe handelt.

10. Halbwellensteuerung für Signalanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Signallampen der Erzeu­ gung roten Lichtes dient.

11. Halbwellensteuerung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalanlage in Hochvolt­ technik ausgeführt ist.

12. Halbwellensteuerung für Lichtzeichenanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der verwen­ deten Lampen Niedervoltsignallampen sind.

13. Signallampe, vorzugsweise Halogenlampe, mit modulierter oder "vibrierender" Helligkeit nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich unmittelbar in Lampennähe ein Transfor­ mator befindet.

14. Signallampe mit vibrierender Helligkeit nach einem der genannten Ansprüche, gekennzeichnet durch eine maximale Farbtemperatur von über 2400 Grad Kelvin.

15. Signallampe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenwert der Farbtemperatur über 2800 Grad Kelvin oder höher als der für den kontinuierlichen Betrieb der Lampe vorgesehene Wert liegt.

16. Erfindungsgemäße Halbwellenaustastvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß einen halbwellengesteuerter Digital­ zähler, vorzugsweise ein Binärzähler, vorhanden ist.

17. Erfindungsgemäße Halbwellenaustastvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß Ein- und/oder Austastzeit durch ein Zeitglied (Monoflop) gesteuert werden.

18. Besonders energiesparend betriebene Signallampe nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Austastphase so lang als möglich bzw. praktikabel gehalten ist.

19. Einschaltstoßstromfreie Lichtzeichenanlage, dadurch gekenn­ zeichnet, daß alle Lampeneinschaltvorgänge (hier also: auch alle Haupteinschaltphasen) nur in Nulldurchgangsnähe liegen, ohne daß dies durch eine jede Halbwelle gleichermaßen beeinflussende Helligkeitssteuerung bewirkt wird.

20. Halbwellen- oder Impulssteuerung nach einem der genannten Ansprüche, gekennzeichnet durch die Ausstattung mit geeig­ neten Induktivitäten und Kapazitäten als Funkentstörmittel.

21. Anlage mit erfindungsgemäß angesteuerten Verbrauchern, gekennzeichnet durch Signallampen entsprechend höherer Strichleistung wie sonst ohne Halbwellensteuerung.

22. Signallampensteuerung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese in eine Signalanlage mit integriertem Ausfall- oder Rotausfalldetektor, vorzugsweise in eine Straßenverkehrssignalanlage mit eingebauter Signal- Sicherungsvorrichtung, integriert ist.

23. Durch mehrere verschiedene Halbwellenaustastsignale gesteuerter Wechselstrom- Mehrphasen- oder Drehstromkreis, gekennzeichnet durch eine derartige Kopplung oder Synchro­ nisation zwischen den einzelnen Austastsignalen, daß durch gegenseitige Verschiebung der einzelnen Ein- und Ausphasen ein sinnvoller zeitlicher Lastausgleich erzielt wird.

24. Signallampensteuerung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Triac oder ein Thyristor als schaltendes Bauelement verwendet wird.

25. Signallampensteuerung nach einem der genannten Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Leistungstransistor oder insbe­ sondere einen Leistungsfeldeffekttransistor als Schalter.

26. Halbwellenaustastvorrichtung im Sinne dieser Erfindung, insbesondere zur einfachen Aus- oder Nachrüstung kleiner Lampenschaltanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß solche Anordnung, wenigstens jedoch zur ausschließlichen Eintas­ tung im Nulldurchgang, in unmittelbarer Nähe des Verbrau­ chers oder wenigstens hinter dem Schalter, vorzugsweise im Sockel einer Signalglühlampe, angebracht ist.

27. Signallampensteuerung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das schaltende Bauelement im polaren Zweig eines Brückengleichrichters liegt.

28. Signallampensteuerschaltung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese mit beiden Verbraucher- bzw. Versorgungsanschlüssen verbunden ist.

29. Signallampensteuerschaltung nach einem der genannten Ansprüche, derart ausgestaltet, daß diese als Eindrahtschaltung lediglich in Serie mit einem Verbraucheranschluß zu legen ist, wobei vorzugsweise ein Ladungsspeicher für die elektronische Schaltung vorge­ sehen ist, welche etwa über eine geeignete Vorwiderstands­ anordnung direkt aus dem Netz gespeist werden kann.

30. Halbwellensteuerung mit besonders stabilem und konstantem Zeitglied nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch besondere Temperaturstabilität der maßgeblichen Zeitkonstanten in einem weiten Temperaturbereich, insbesondere indem das Zeitglied digital ist, indem es etwa einen Quarzoszillator mit nachfolgendem Frequenzzähler, enthält.

31. Halbwellenaustastschaltung für eine Wechselstromschaltanlage im Sinne dieser Erfindung, gekennzeichnet durch eine derar­ tige Mischung des Halbwellensteuerungssignals mit dem Schalt­ signal, daß zusammen nur ein Leistungsschalter ausreicht.

32. Universelle Halbwellensteuerung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Ein- oder Ausschaltdauer unabhängig voneinander, insbesondere über ein festes Programm, wählbar sind.

33. Halbwellenaustastvorrichtung für Wechselstrom nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Beseitigung von Restfunkstörungen ein kontinuierlich durchschaltendes Element, wie etwa ein Leistungsfeldeffekt­ transistor, als Leistungsschalter dient und der Schaltvor­ gang dadurch über eine gewisse, wenn auch nur kurze Zeit­ spanne ausgedehnt werden kann, so daß dadurch dem verblei­ benden Spektrum restliche HF-Komponenten wirksam entzogen werden können.

34. Halbwellenaustastvorrichtung für Wechselstrom nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Beseitigung von Restfunkstörungen eine zusätzliche Ab­ gleichmöglichkeit zur genauen Verschiebung des Schaltpunktes auf den Nulldurchgang geschaffen ist.

35. Abgleichvorrichtung für Halbwellenaustastung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß für den zeitlichen Feinabgleich ein zusätzlicher analoger Phasenschieberkreis, wie etwa ein Tiefpaß oder ein Allpaßfilter, vorgesehen ist.

36. Abgleichvorrichtung für Halbwellenaustastung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Möglichkeit des zeitlichen Feinabgleichs erst hinter dem Nulldetektor erfolgt, und in einer einstellbaren Verzögerung des Digitalsignals besteht.

37. Zeitsparendes Nullabgleichverfahren nach Anspruch 34, 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltpunkt-Feinabgleich des Austastgerätes nicht erst in situ, sondern schon vorher, also im Labor bzw. bei der Herstellung, vorgenommen wird.

38. Halbwellenaustastvorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Netzfrequenz- Synchronisation mit beiden Halbwellen der Netzspannung über einen Vollweggleichrichter erfolgt.

39. Halbwellenaustastvorrichtung im Sinne dieser Erfindung, dadurch gekennzeichnet, daß die Nulldetektion mit einem Absolutwertkomparator bzw. einen um Null eingestellten Fensterkomparator erfolgt.

40. Erfindungsgemäße Halbwellenaustastvorrichtung, gekennzeichnet durch potentialtrennende Mittel wie Optokop­ pler oder Transformator zwischen Netz und Austastschaltung oder zwischen dem Ausgang der Austastschaltung und dem Leistungsschalter oder zwischen erst- und letztgenanntem.

41. Durch erfindungsgemäße Halbwellenaustastvorrichtung gesteu­ erte, mit unterschiedlichen Farben bzw. mit Streuscheiben unterschiedlicher Farbe versehene Lichtzeichenanlage, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene Signallampen mit prinzipiell unterschiedlichen Farbtemperaturen betrieben werden, was vorzugsweise durch (strangweise) Speisung mit Halbwellenaustastvorrichtungen unterschiedlicher Sequenz erzielt werden kann (so daß nur gleichartige Lampen verwendet zu werden brauchen), jedoch auch durch verschieden dimensionierte Lampen erzielbar ist.

42. Erfindungsgemäße, digital gesteuerte Halbwellenaustastvor­ richtung, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl Ein- als auch Austastzeit durch den einen, selben Digitalzähler gesteuert werden, wozu dessen Ausgang insbesondere auch mit einem oder gar mehreren Decodern versehen sein kann.

43. Halbwellenaustastvorrichtung mit gepulstem und dadurch nied­ rigem mittlerem Steuerstrom, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstrecke selbst zur Verundung herangezogen wird, indem der Thyristor oder Triac nur in Nulldurchgangsnähe ein Schaltsignal erhält, wodurch bewirkt wird, daß alle Schaltphasen nur in Nulldurchgangsnähe beginnen können.

44. Erfindungsgemäße Halbwellenaustastvorrichtung für Signal­ lampen, gekennzeichnet durch einen derartigen Einsatz, daß diese durch die elektronisch im Zeitbereich erzielte Kon­ trasterhöhung einen Phantomschutz bewirkt.

45. Halbwellenaustastvorrichtung nach einem der genannten An­ sprüche, gekennzeichnet durch elektrisch steuerbare Moden­ zahlen, etwa zur digitalen Helligkeitssteuerung von Signal­ lampen für Tag- Nachtbetrieb.

46. Erfindungsgemäße Halbwellenaustastvorrichtung für Signal­ lampen und Lichtzeichenanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß diese als Vorwarnanzeige genutzt wird.

47. Lichtzeichensteueranlage nach Anspruch 46, dadurch gekenn­ zeichnet, daß durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung gegenüber herkömmlichen Signalanlagen eine Lampe bzw. eine Farbe eingespart wird.

48. Erfindungsgemäße Halbwellenaustastvorrichtung, dadurch ge­ kennzeichnet, daß diese auf 2 unterschiedliche Phasen (Rot- und Grünphase) mit unterschiedlichen Sequenzen angewandt wird, indem die (gegen Rotverschiebungen emp­ findlichere) Grünphase eine längere Eintastdauer erhält.

49. Halbwellenaustastvorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nulldetektorsignale einem einphasig gleichgerichteten Wechselstrom entnommen sind, also einem pulsierenden Gleich­ strom, dem jede zweite Halbwelle fehlt, vorzugsweise dahingehend vereinfacht, daß eine kleine Unsymme­ trie über den Startpunkt der Nulldetektion zugelassen wird.

50. Halbwellenaustastvorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nulldetektorsignale in einem synchronisierbaren Oszil­ lator oder einem phasengerasteten Regelkreis generiert werden.