EP3399843A1 - Leuchtenanordnung mit einem vorschaltgerät und einer leuchte - Google Patents

Leuchtenanordnung mit einem vorschaltgerät und einer leuchte Download PDF

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EP3399843A1
EP3399843A1 EP18168756.7A EP18168756A EP3399843A1 EP 3399843 A1 EP3399843 A1 EP 3399843A1 EP 18168756 A EP18168756 A EP 18168756A EP 3399843 A1 EP3399843 A1 EP 3399843A1
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EP
European Patent Office
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ballast
lamp
data
circuit
cable
Prior art date
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Application number
EP18168756.7A
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English (en)
French (fr)
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EP3399843B1 (de
Inventor
Hartmut Illers
Ulrich Klipstein
Wilfried Brauckmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
B & S Elektronische Gerate GmbH
Original Assignee
B & S Elektronische Gerate GmbH
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Publication date
Application filed by B & S Elektronische Gerate GmbH filed Critical B & S Elektronische Gerate GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B41/00—Circuit arrangements or apparatus for igniting or operating discharge lamps
    • H05B41/14—Circuit arrangements
    • H05B41/26—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc
    • H05B41/28—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc using static converters
    • H05B41/288—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc using static converters with semiconductor devices and specially adapted for lamps without preheating electrodes, e.g. for high-intensity discharge lamps, high-pressure mercury or sodium lamps or low-pressure sodium lamps
    • H05B41/2881—Load circuits; Control thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B47/00—Circuit arrangements for operating light sources in general, i.e. where the type of light source is not relevant
    • H05B47/10—Controlling the light source
    • H05B47/175—Controlling the light source by remote control
    • H05B47/18—Controlling the light source by remote control via data-bus transmission
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B47/00—Circuit arrangements for operating light sources in general, i.e. where the type of light source is not relevant
    • H05B47/20—Responsive to malfunctions or to light source life; for protection

Definitions

  • Such lamp assemblies are predominantly used when the at least one lamp, in particular in the form of a radiator or headlamp, is used at a greater distance from the ballast. This is the case, for example, with film and television recordings.
  • the ballast has the task of supplying the lamp with the operating voltage for the lamp of the lamp and beyond to ensure a safety shutdown, for example, if a glass breakage occurs in the glass of the lamp, causing the lamp with respect to the operating voltage would not be safe to touch. It is also known when switching on the ballast electrical parameters of the connected To continuously measure the lamp in the ballast to adjust the ballast output power to the lamp power consumption.
  • the known lighting arrangements are designed so that they can withstand harsh field operation and require connection cables with as few conductors as possible.
  • functions such as safety shutdown and luminaire type detection
  • analog circuit techniques have been used, which made possible an implementation with the existing conductors of the cable. This is usually apart from special cable techniques, such as twisting or shielding the ladder.
  • the present invention has for its object to expand the applications of the known lighting arrangements, preferably with a technique that does not necessarily require additional conductors or the use of special cable techniques.
  • the lamp has at least one sensor and a microcomputer and the ballast a microcomputer and that between the microcomputers a bidirectional digital data exchange with a data transmission circuit and a data receiving circuit in the ballast and in the Luminaire is provided over the cable.
  • the ballast includes the essential circuit technology and the luminaire arrangement has included only the light source and an ignition circuit
  • the luminaire of the luminaire arrangement receives its own intelligence through a microcomputer.
  • This makes it possible to determine essential parameters of the luminaire during operation. These include, for example, the burning voltage of the lamp, in particular the arc of an arc lamp, the temperature of the bulb holder, the temperature of the reflector, the temperature of the igniter, the orientation of the lamp in the gravitational field to prove improper operating conditions of the lamp, an operating hours count and, if necessary, monitoring of safety devices.
  • the bidirectional digital data transmission according to the invention is provided via the cable. In this way, - controlled by the ballast - information from the light on the ballast and are stored there and / or used to initiate appropriate control and / or signaling measures.
  • the supply voltage for the microcomputer and the data transmission circuit and data reception circuit of the luminaire is transmitted via conductors of the cable, which are not provided for the transmission of the designed as AC voltage operating voltage of the lamp. Basically, it would be obvious to derive the supply voltage from the operating voltage of the lamp of the lamp.
  • the microcomputer, data transmission circuit and data receiving circuit of the luminaire would only be active if the operating voltage for the luminous means was transferred from the ballast to the luminaire.
  • the data transmission circuit of Luminaire can be activated by a transmission of data of the ballast.
  • the microcomputer can cache data of the sensors connected to it and transmit it to the ballast after an appropriate request by the ballast.
  • the data transmission from the ballast to the luminaire and from the luminaire to the ballast preferably takes place via conductors of the cable which are not provided for the transmission of the operating voltage for the luminous means. Accordingly, the data transmission circuit and data receiving circuit of both the ballast and the lamp are connected to conductors of the cable not intended for transmission of the operating voltage.
  • the data transmission circuit and data receiving circuit of both the ballast and the luminaire may be connected to the same two conductors of the cable, so that bidirectional data transmission takes place in both directions on the same two conductors.
  • These conductors may be those conductors connected to the terminals of the ballast for the sensor circuit and to the two terminals of the lamp connected to the at least one switch.
  • the other conductors are subject to significant interference by inductively and capacitively coupled interference in each case to varying degrees and often with different signs (polarities).
  • the data transfer circuits are used as current sources having a high internal resistance and the data receiving circuit having a low internal resistance educated. As a result, the interference is kept away from the respective data receiving circuit, even if the inductively or transformerically coupled interference frequencies are in the data transmission band.
  • the data reception circuits may have low-pass filter circuits with a cutoff frequency such that a separation of higher-frequency, capacitively coupled crosstalk interference from the useful data signal takes place.
  • FIG. 1 shows the basic structure of a ballast 1, a lamp 2 and the ballast 1 with the lamp 2 connecting cable 3.
  • the ballast is connected to a standard AC power supply to the conductors L1, N and PE (connected to the housings protective conductor).
  • the AC voltage transmitted on the conductors L1, N is rectified and smoothed in a rectifier circuit 4.
  • a direct current is generated and regulated in a known manner.
  • the direct current is switched in a known manner with a full bridge circuit 7 so that the voltage potential alternately rests on one or the other line on two output lines, so that a current with alternating polarity can flow on the two output lines.
  • the output lines via an EMC filter 9 with lines LH and LL of the cable 3 are connected.
  • the lines LH and LL lead to two electrodes of a luminous means 10, thus alternately flowing current in one direction and in the other direction.
  • the luminous means 10 may be formed in different embodiments, is preferably a high-pressure discharge lamp, for example a high-pressure metal halide lamp according to current technology.
  • Inductances are used in the lines leading to the light-emitting means 10, via which impulses generated by an ignition pulse generator 11 reach the electrodes of the lighting means 10 as ignition pulses in order to ignite the lighting means 10.
  • a conductor Z of the cable 3 in the ballast is connected to an ignition switch 12 with the conductor LH or the corresponding output of the inverter stage 6.
  • the conductor Z is connected to the conductor LL via a primary coil of a transformer 13 so that a capacitor 13a connected to the secondary winding of the transformer 13 is charged to the breakdown voltage of a spark gap 14 likewise arranged on the secondary side of the transformer 13 ,
  • a resonant circuit is formed from the capacitor 13a and the connected inductance, in which is caused by the introduced charge of the capacitor 13a a strongly damped oscillation of typically 1 to 5 MHz.
  • This oscillation is connected in series with the electrodes of the luminous means 10 Coupled inductors, whereby the supply voltage of the lamp superimposed impulses a very high voltage, which leads to the ignition of the bulb 10.
  • a connection of the ignition device 11 to the connection LH is already contained internally, which is controlled via an integrated timer.
  • the designated Z line can be omitted or is no longer connected to the light 2.
  • the cable further includes two lines D +, D-, which serve to loop through a potential and form a sensor circuit for at least one switch 15, 16 contained in the luminaire 2.
  • These trained in analog technology switches 15, 16 may be closed in the operating state, so that the closed state of the switches 15, 16 in the ballast 1 can be seen. If one of the switches is opened, for example in the event of glass breakage of the glass pane of luminaire 2 or through a door contact switch through which access to luminaire 2 takes place, a safety shutdown can take place in the ballast by opening safety switch 8, for example by a relay. so that the light source 10 of the light 2 is no longer supplied with an operating voltage.
  • a data module 17 with a microprocessor 18 and in the lamp 2 a data module 19 with a microprocessor 20 are arranged on the conductors D + and D- of the cable 3 in the ballast 1.
  • a bidirectional data exchange takes place between the data modules 17, 19, which takes place on the conductors D +, D- already present for the sensor circuit, so that the cable 3 does not require any additional conductors for the data exchange.
  • the voltage supply for the data module 19 in the luminaire 2 takes place via the conductors D +, D-.
  • FIG. 2a schematically illustrates the summarized in the cable 3 conductors, wherein the in FIG. 1 shown number of conductors can be easily increased, as shown in FIG. 2 is shown in dashed lines.
  • FIG. 2b indicates that the supply of the light source 10 provided with the operating voltage conductors LH and LL and the protective conductor PE are formed because of the current flowing there with a much larger cross-section than the designed for a lower power conductor D +, D and Z and possibly additional ladder.
  • the conductors are located in the cable 3 within a stable cable sheath 21.
  • the arrangement of the conductors in the cable 3 has the consequence that the data conductors provided as conductors D + and D- have different distances to the intended for the high power conductors LH on the one hand and LL on the other.
  • the ladder system by virtue of its design, forms a system of coupled inductors 22 in that FIG. 3a is illustrated.
  • FIG. 3b The diagram shown shows the curve 23 of the lamp current I L on the conductors LH and LL.
  • the diagram underneath according to Figure 3c shows the resulting course 24 of the interference pulses resulting from inductive coupling.
  • the lamp current in the example of a 9 kW lamp 10 changes in a typical application between -55 A and +55 A in a period of about 20 to 30 ⁇ s ( FIG. 3b ) produces an induced voltage pulse with a width of typically 20 to 30 ⁇ s.
  • the typical maximum pulse voltage U max is approx. 7 V with a cable length of 15 m and achieves values up to 50 V with a cable length of 100 m.
  • FIG. 4 schematically shows an equally present capacitive coupling 25 between the conductors of the cable 3, which is why in FIG. 4a between the ladders symbolically discrete capacities are drawn, which of course are not available as such. Rather, the conductors form distributed over the length of distributed capacity. These lead to the polarity reversal of the operating voltage on the lines LH and LL for the bulb 10 to transient and overshoot operations, as in FIG. 4b are shown. These capacitively coupled disturbances 25 'do not arise completely simultaneously on the conductors LH and LL. In practice, there is a time offset of the current changes due to component tolerances of the EMC filter. 9
  • FIG. 5 a basic circuit measure by which an effect of the inductive coupling 22 on the reception of the data on the respective receiver side is virtually eliminated.
  • FIG. 6 shows by way of example a schematic structure of the data transmission circuit 26 of the ballast 1 and connected via the conductor D +, D- of the cable 3 data receiving circuit 30 of the light 2.
  • Data transmission circuit 26 and data receiving circuit 30 are basically the same in the ballast 1 and in the luminaire 2.
  • FIG. 6 shows therefore the essential for the data transmission from the ballast 1 to the lamp 2 parts of the circuit, while FIG. 7 illustrate the corresponding circuit parts for the return of data from the lamp 2 to the ballast 1.
  • the microprocessor 18 For the transmission of data from the ballast 1 to the luminaire 2 ( FIG. 6 ), the microprocessor 18 (FIG. FIG. 1 ) corresponding data contents TX B , which arrive at a control circuit 31.
  • the control circuit 31 is activated with a start signal (enable signal En B ).
  • the control signals A, B, C, D required for switching a full-bridge 32 current source 33 are provided.
  • transistor "A” allows a defined current flow in the conductor D +, transistors “B” and “C” off, and transistor “D” causes a defined current flow in the conductor D-, so that on the bridge diagonal D + up and D - be pulled down.
  • a current flow is now generated upward through transistor “B” in D- and down through transistor “C” out of D +, and in state 3 the full bridge is passive, then data can be received.
  • the bipolar transistors shown can be embodied, for example, as a MOSFET or as a JFET, or even other components or component groups with comparable properties.
  • the illustrated emitter resistors there may be an assembly operating as a current source, respectively, and instead of the four shown discrete transistors A, B, C, D can each be inserted as a switch functioning components or assemblies.
  • “driving” means that the base of the respective transistor is connected to a voltage which is slightly remote from the respective supply voltage so that, minus the emitter-base voltage, a voltage across the resistor drops such that a defined current flow at the collector can be removed.
  • a filter 36 ' is set between this current driver circuit and the conductors D +, D- in the cable.
  • the conductors D + and D- are connected via the series-connected switches 15, 16 to a first filter 36, which is designed so that it is suitable for transmitting the supply power of the data module 19.
  • a second filter 37 before the signals on the two lines D +, D- a subtraction stage 38 (D + - D-) are supplied.
  • this subtraction stage 38 With this subtraction stage 38, such disturbances are eliminated, which are coupled to the two conductors D +, D- in the same way and in phase.
  • the received signal RX L thus formed then passes to the microprocessor 20 of the luminaire.
  • a voltage supply stage 39 is connected in parallel with the second filter, which wins a supply voltage VDD L with a full-bridge circuit and a downstream storage capacitor from the transmitted data signals.
  • an operational amplifier 41 as a detector for the Switch state of the switches 15, 16 connected. If one of the switches 15, 16 is opened in the luminaire 2, no current flows in the control of the diagonal terminals A, D or B, C, so that no voltage drops across the base-point resistor 40. This is detected by the operational amplifier 41, which lowers its level at the output in this case, so that the relay in the safety circuit 8 (FIG. FIG. 1 ) opens the switch contacts and interrupts the operating voltage for the bulb 10.
  • the operational amplifier module 41 is equipped with a low-pass filter, so that during the brief interruption of the current flow (enable signal En B deactivated), as occurs in the data transmission from the radiator back to the ballast, the signal "D ok" at the output of the operational amplifier 41 still gapless remains set.
  • FIG. 7 clarifies the data receiving circuit 30 in the ballast 1 and the data transmission circuit 26 in the light 2.
  • the microprocessor 20 of the lamp 2 receives a data signal from the ballast 1, with which the transmission of certain data is requested, it generates the corresponding data signals as transmission signals TX L and generates a turn-on signal En L for the controller 31. Via the current source 33 and the filter arrangement 36, the data signal is applied to the conductors D +, D-.
  • the processing in the data receiving circuit 30 is performed with the filters 36 'and 37' and with the subtraction circuit 38 ', as explained with reference to the data receiving circuit 30 for the luminaire 2.
  • the enable signal En B is set to zero, so that the data transmission circuit 26 of the ballast 1 is turned off and does not affect the received signals.
  • the data transfer circuits 26 and data receiving circuits 30 in the ballast 1 and the lamp 2 are basically the same, there are slight functional differences. While in lamp 2 the voltage swing in the passband of the first filter is limited to VDD L , overshoot must be possible in the ballast. In the luminaire 2, a regulator (not shown) is used to prevent the voltage VDD L from rising above a threshold. For this purpose, the storage capacitor, which provides the energy for the return of the data from the lamp 2 to the ballast 1 available, when the set voltage is exceeded, slightly discharged until the target voltage is reached again. The discharge can be done via a switched ohmic resistance.
  • FIG. 8 is a schematic complete circuit for the data module 17 of the ballast 1 and the data module 19 of the lamp 2 is shown. It is clear that the filter 36 is used at the same time for the transmission as for the reception of the digital signals.
  • Capacitive coupled noise act in the transmission circuit by the coupling capacitances 25 of the cable 3 with the receiver resistor 28, 29 ( FIG. 5 ) form a high pass.
  • the capacitively coupled noise is at a frequency ⁇ 300 kHz.
  • the filters 36, 37 and 36 ', 37' serve as low-pass filters, with which, in particular with the filters 37, 37 ', the high-frequency disturbances are strongly attenuated.
  • the subdivision of the filters into the first filter 36 and the second filter 37 is based on the fact that the first filter 36, 36 'can also be used for the transmission mode and is suitable for the transmission of larger powers, while the second filters 37, 37' for the attenuation of capacitively coupled interference are designed for trouble-free data reception.
  • Embodiments of the filters are in the FIG. 9 shown.
  • FIG. 9a illustrated filter 36 ' is designed for the power transmission for the transmission and reception operation in the ballast 1. Consequently, the coil L1 with the capacitors C1, C2 and the resistor R1 forms a low-pass filter, which keeps away strong voltage swings from capacitive coupling.
  • the switch SW1 is open, so that R1 and C2 act as attenuators for lowering the quality factor of the L1-C1 combination in order to prevent excessive voltage peaks in the region of the resonance frequency. Below the cutoff frequency, D + and D- behave at high impedance to each other, as is required for the current source concept.
  • SW1 In receive mode, SW1 is closed and R1 and R1 'work as termination resistors.
  • the resonance of the L1-C1 filter is damped, but it remains below the L1-C1 cutoff frequency but still low impedance.
  • FIG. 9b shows an embodiment of the first filter 36 in the light 2.
  • This filter is designed for power transmission and keeps voltage drops small because a low-pass filter is formed with the coil L2. Again, large voltage swings from capacitively coupled noise from the power source through the low pass L2, C3 kept away.
  • VDD L voltage
  • D + bridge rectifier lines
  • D- are evaluated low impedance from the receiver.
  • the voltage VDD L is reduced. This eliminates a switchable termination and the downstream combination of R2-C4 is used exclusively for suppressing the resonance of the upstream L2-C3 combination.
  • FIG. 9c shows an embodiment of the filter 37, which is no longer suitable for power transmission, but serves to set a low-pass cutoff frequency.
  • the filter can be realized with inexpensive RC low-pass filter chains. Since this filter is connected to the first filter 36, the connection between R2, C4 ( FIG. 9b ) of the first filter 36 at the same time the first low pass of the low pass filter of the filter 37 at the same time.
  • FIG. 9d illustrated filter 37 'also consists of inexpensive RC low-pass filter chains.
  • the point of attachment for the filter 37 'to the filter 36' is between L1, C1 and R1 (FIG. FIG. 9a ), because the connection point between R1 and C2 is connected to R1 ', C2' during reception.
  • the signal filter 37 ' is one order higher than the signal filter 37.
  • the design of the filter is such that capacitively coupled disturbances are effectively damped. This has the consequence that the data transmission rate must be adapted to the passband of the low-pass filters 36, 37 and 36 ', 37'.
  • the illustrated embodiment is based on the fact that in the transmission of data signals via the conductor D +, D- from the ballast 1 to the lamp 2 from these sent signals in the lamp 2 after rectification a storage capacitor is charged, the stored energy for the return of the the data signal of the ballast 1 requested data volume is sufficient.
  • the return of the data is thus possible only in a short time interval after the request by means of a data signal from the ballast 1. In this way can be dispensed with its own power supply of the lamp for the purpose of data transmission.

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  • Circuit Arrangement For Electric Light Sources In General (AREA)

Abstract

Bei einer Leuchtenanordnung mit einem Vorschaltgerät (1) und wenigstens einer mit dem Vorschaltgerät (1) über ein Kabel (3) verbundenen Leuchte (2), in der
- das Vorschaltgerät (1) wenigstens
- zwei Anschlüsse für die Bereitstellung einer Betriebsspannung für die Leuchte (2),
- einen Anschluss für ein Schutzpotential,
- einen Anschluss für einen Zündimpuls und
- zwei Anschlüsse eines Sensorkreises für eine Sicherheitsabschaltung aufweist,
- die Leuchte (2) ein Leuchtengehäuse, ein Leuchtmittel (10), eine Zündschaltung (11) und wenigstens einen Schalter (15, 16) für den Sensorkreis sowie wenigstens
- zwei mit dem Leuchtmittel (10) verbundene Anschlüsse für die Zuleitung der Betriebsspannung,
- einen mit dem Leuchtengehäuse verbundenen Schutzanschluss und
- zwei mit dem wenigstens einen Schalter (15, 16) verbundene Anschlüsse aufweist,
- das Kabel (3) mit mindestens einer der Anzahl der Anschlüsse entsprechenden Anzahl von Leitern das Vorschaltgerät (1) mit der Leuchte (2) verbindet,
lässt sich eine verbesserte Benutzung dadurch realisieren, dass die Leuchte (2) wenigstens einen Sensor sowie einen Mikrorechner (20) und das Vorschaltgerät (1) einen Mikrorechner (18) aufweist und dass zwischen den Mikrorechnern (18, 20) ein bidirektionaler digitaler Datenaustausch mit jeweils einer Datenübertragungsschaltung (26) und einer Datenempfangsschaltung (30) im Vorschaltgerät (1) und in der Leuchte (2) über das Kabel (3) vorgesehen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Leuchtenanordnung mit einem Vorschaltgerät und wenigstens einer mit dem Vorschaltgerät über ein Kabel verbundenen Leuchte, in der
    • das Vorschaltgerät wenigstens
      zwei Anschlüsse für die Bereitstellung einer Betriebsspannung für die Leuchte, einen Anschluss für ein Schutzpotential,
      einen Anschluss für einen Zündimpuls und
      zwei Anschlüsse eines Sensorkreises für eine Sicherheitsabschaltung aufweist,
    • die Leuchte ein Leuchtengehäuse, ein Leuchtmittel, eine Zündschaltung und wenigstens einen Schalter für den Sensorkreis sowie wenigstens zwei mit dem Leuchtmittel verbundene Anschlüsse für die Zuleitung der Betriebsspannung,
      einen mit dem Leuchtengehäuse verbundenen Schutzanschluss und
      zwei mit dem wenigstens einen Schalter verbundene Anschlüsse aufweist,
    • das Kabel mit mindestens einer der Anzahl der Anschlüsse entsprechenden Anzahl von Leitern das Vorschaltgerät mit der Leuchte verbindet.
  • Derartige Leuchtenanordnungen werden überwiegend dann verwendet, wenn die wenigstens eine Leuchte, insbesondere in Form eines Strahlers oder Scheinwerfers, in größerer Entfernung von dem Vorschaltgerät eingesetzt wird. Dies ist beispielsweise bei Film- und Fernsehaufnahmen der Fall. Das Vorschaltgerät hat die Aufgabe, die Leuchte mit der Betriebsspannung für das Leuchtmittel der Leuchte zu versorgen und darüber hinaus eine Sicherheitsabschaltung zu gewährleisten, wenn beispielsweise ein Glasbruch in der Glasscheibe der Leuchte auftritt, wodurch die Leuchte bezüglich der Betriebsspannung nicht mehr berührungssicher wäre. Es ist ferner bekannt, beim Einschalten des Vorschaltgeräts elektrische Parameter der angeschlossenen Leuchte im Vorschaltgerät fortlaufend zu messen, um eine Anpassung der Ausgangsleistung des Vorschaltgeräts an die Leistungsaufnahme des Leuchtmittels der Leuchte vorzunehmen.
  • Die bekannten Leuchtenanordnungen sind so ausgebildet, dass sie einem rauen Feldbetrieb standhalten und Verbindungskabel mit möglichst wenigen Leitern benötigen. Für die Realisierung der genannten Funktionen, wie Sicherheitsabschaltung und Leuchtentyperkennung, sind daher analoge Schaltungstechniken verwendet worden, die eine Realisierung mit den vorhandenen Leitern des Kabels ermöglichten. Dabei ist üblicherweise von besonderen Kabeltechniken, wie Verdrillung oder Abschirmung der Leiter abgesehen worden.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Anwendungsmöglichkeiten der bekannten Leuchtenanordnungen zu erweitern, vorzugsweise mit einer Technik, die nicht zwingend zusätzliche Leiter oder den Einsatz besonderer Kabeltechniken erfordert.
  • Die Lösung dieser Aufgabe gelingt bei einer Leuchtenanodnung der eingangs erwähnten Art dadurch, dass die Leuchte wenigstens einen Sensor sowie einen Mikrorechner und das Vorschaltgerät einen Mikrorechner aufweist und dass zwischen den Mikrorechnern ein bidirektionaler digitaler Datenaustausch mit jeweils einer Datenübertragungsschaltung und einer Datenempfangsschaltung im Vorschaltgerät und in der Leuchte über das Kabel vorgesehen ist.
  • Während bei den bisher üblichen Leuchtenanordnungen das Vorschaltgerät die wesentliche Schaltungstechnik beinhaltet und die Leuchtenanordnung lediglich das Leuchtmittel und eine Zündschaltung hierfür beinhaltet hat, wird nach dem erfindungsgemäßen Konzept vorgesehen, dass die Leuchte der Leuchtenanordnung eine eigene Intelligenz durch einen Mikrorechner erhält. Dadurch ist es möglich, wesentliche Parameter der Leuchte im Betrieb festzustellen. Hierzu gehören beispielsweise die Brennspannung des Leuchtmittels, insbesondere des Lichtbogens einer Lichtbogenlampe, die Temperatur der Leuchtmittelfassung, die Temperatur des Reflektors, die Temperatur des Zündgeräts, die Orientierung der Leuchte im Schwerefeld zum Nachweis unsachgemäßer Betriebslagen der Leuchte, eine Betriebsstundenzählung und ggf. eine Überwachung von Sicherheitseinrichtungen. Da die Steuerung und Überwachung der Leuchte weiterhin durch das Vorschaltgerät erfolgen soll, ist die erfindungsgemäße bidirektionale digitale Datenübertragung über das Kabel vorgesehen. Auf diese Weise gelangen - vom Vorschaltgerät gesteuert - Informationen von der Leuchte auf das Vorschaltgerät und werden dort abgespeichert und/oder zur Einleitung von geeigneten Steuerungs- und/oder Signalisierungsmaßnahmen verwendet.
  • Grundsätzlich ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, die Versorgungsspannung für den Mikrorechner und die Datenübertragungsschaltung und Datenempfangsschaltung der Leuchte aus einer in der Leuchte eingebauten Batterie zu entnehmen. Die Leuchten sind regelmäßig Hochleistungsstrahler mit Leistungsaufnahmen zwischen 150 W und einigen kW. Derartige Strahler weisen eine hohe Temperaturbelastung auf, sodass die Verwendung von Batterien problematisch ist. In einer Ausführungsform wird die Versorgungsspannung für den Mikrorechner und die Datenübertragungsschaltung und Datenempfangsschaltung der Leuchte über Leiter des Kabels übertragen, die nicht für die Übertragung der als Wechselspannung ausgebildeten Betriebsspannung der Leuchte vorgesehen sind. Grundsätzlich läge es nahe, die Versorgungspannung aus der Betriebsspannung des Leuchtmittels der Leuchte abzuleiten. Dann wären Mikrorechner, Datenübertragungsschaltung und Datenempfangsschaltung der Leuchte jedoch nur dann aktiv, wenn die Betriebsspannung für das Leuchtmittel von dem Vorschaltgerät auf die Leuchte übertragen wird. Dies würde die Verwendbarkeit des Mikrorechners und die an ihn anschließbaren Sensoren jedoch erheblich einschränken. Daher ist es vorteilhaft, für die Übertragung der Versorgungsspannung Leiter des Kabels zu verwenden, die nicht für die Übertragung der Betriebsspannung vorgesehen sind.
  • Aufgrund der Tatsache, dass die Leiter des Kabels erheblichen Störeinflüssen unterliegen, wenn auf eine besondere und aufwändige Kabeltechnik verzichtet wird, ist es zweckmäßig, die Zeitspannen, in denen Daten von der Leuchte zum Vorschaltgerät übertragen werden, minimal kurz zu halten. Dies gilt insbesondere, wenn gemäß einer Ausführungsform zwei Leiter sowohl zur bidirektionalen Datenübertragung als auch zur Übertragung einer Versorgungsspannung auf die Leuchte genutzt werden. Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang, wenn die Datenübertragungsschaltung der Leuchte durch eine Übertragung von Daten des Vorschaltgeräts aktivierbar ist. Der Mikrorechner kann Daten der an ihn angeschlossenen Sensoren zwischenspeichern und nach einer entsprechenden Aufforderung durch das Vorschaltgerät an das Vorschaltgerät übermitteln. Dadurch ist es insbesondere möglich, die für die Übertragung der Daten von der Leuchte zum Vorschaltgerät benötige elektrische Energie durch die Übersendung eines Aufforderungssignals vom Vorschaltgerät zur Leuchte zu übertragen und in der Leuchte vorübergehend abzuspeichern und für die Übertragung der Daten in der Leuchte zur Verfügung zu haben.
  • Die Datenübertragung vom Vorschaltgerät zur Leuchte und von der Leuchte zum Vorschaltgerät erfolgt vorzugsweise über Leiter des Kabels, die nicht für die Übertragung der Betriebsspannung für das Leuchtmittel vorgesehen sind. Demgemäß sind die Datenübertragungsschaltung und Datenempfangsschaltung sowohl des Vorschaltgeräts als auch der Leuchte mit nicht für die Übertragung der Betriebsspannung vorgesehenen Leitern des Kabels verbunden. Insbesondere können die Datenübertragungsschaltung und Datenempfangsschaltung sowohl des Vorschaltgeräts als auch der Leuchte mit denselben zwei Leitern des Kabels verbunden sein, sodass die bidirektionale Datenübertragung in beiden Richtungen auf denselben zwei Leitern erfolgt. Diese Leiter können diejenigen Leiter sein, die mit den Anschlüssen des Vorschaltgeräts für den Sensorkreis und mit den beiden mit dem wenigstens einen Schalter verbundenen Anschlüssen der Leuchte verbunden sind. Diese Leiter können sowohl im Vorschaltgerät als auch in der Leuchte mit einer Differenzschaltung verbunden sein, sodass das Datennutzsignal durch Differenzbildung gewonnen wird. Ein auf beide Leiter sich auswirkendes überlagertes Störsignal würde dann in bekannter Weise bei der Differenzbildung ausgelöscht werden.
  • Da auf dem Kabel die Betriebsspannung für das Leuchtmittel übertragen wird, unterliegen die übrigen Leiter erheblichen Störeinflüssen durch induktiv und kapazitiv eingekoppelte Störungen in jeweils unterschiedlichem Ausmaß und oft auch mit unterschiedlichen Vorzeichen (Polaritäten). Um spezielle aufwändige Abschirmmaßnahmen zu vermeiden, werden zur Verminderung der Auswirkungen von induktiv eingekoppelten Störungen die Datenübertragungsschaltungen als Stromquellen mit einem hohen Innenwiderstand und die Datenempfangsschaltung mit einem niedrigen Innenwiderstand ausgebildet. Hierdurch werden die Störungen auch dann von der jeweiligen Datenempfangsschaltung ferngehalten, wenn die induktiv oder transformatorisch eingekoppelten Störungen frequenzmäßig im Datenübertragungsband liegen. Zur Verminderung der Auswirkung kapazitiv eingekoppelter Störungen können die Datenempfangsschaltungen Tiefpassfilterkreise mit einer solchen Grenzfrequenz aufweisen, dass eine Trennung höherfrequenter, kapazitiv eingekoppelter Übersprechstörungen von dem Nutz-Datensignal erfolgt.
  • Die Erfindung soll im Folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:
    • Figur 1
    ein Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Leuchtenanordnung bestehend aus einem Vorschaltgerät, einer Leuchte und einem das Vorschaltgerät mit der Leuchte verbindenden Kabel;
    Figur 2
    eine schematische Darstellung der Leiter des Kabels und ihrer Anordnung in dem Kabel;
    Figur 3
    eine schematische Darstellung zur Erläuterung induktiv eingekoppelter Störungen;
    Figur 4
    eine schematische Darstellung zur Erläuterung kapazitiv eingekoppelter Störungen;
    Figur 5
    ein Prinzipschaltbild für eine Schaltungsanordnung zur Eliminierung der Auswirkung induktiv eingekoppelter Störungen auf der Empfangsseite;
    Figur 6
    ein Prinzipschaltbild für die Ausbildung einer Datenübertragungsschaltung im Vorschaltgerät und einer Datenempfangsschaltung in der Leuchte;
    Figur 7
    ein Prinzipschaltbild für die Ausbildung einer Datenübertragungsschaltung in der Leuchte und einer Datenempfangsschaltung im Vorschaltgerät;
    Figur 8
    ein Prinzipschaltbild der kompletten Datenübertragungsschaltung und -empfangsschaltung im Vorschaltgerät und in der Leuchte;
    Figur 9
    Ausführungsformen für die in Figur 8 verwendeten Filter.
  • Figur 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Vorschaltgeräts 1, einer Leuchte 2 und eines das Vorschaltgerät 1 mit der Leuchte 2 verbindenden Kabels 3. Das Vorschaltgerät ist an eine übliche Wechselspannungsversorgung mit den Leitern L1, N und PE (mit den Gehäusen verbundener Schutzleiter) angeschlossen. Die auf den Leitern L1, N übertragene Wechselspannung wird in einer Gleichrichterschaltung 4 gleichgerichtet und geglättet. In einer nachfolgenden Tiefsetz- und Regelstufe 5 wird in bekannter Weise ein Gleichstrom erzeugt und geregelt. In einer nachfolgenden Wechselrichterstufe 6 wird der Gleichstrom in bekannter Weise mit einer Vollbrückenschaltung 7 so geschaltet, dass auf zwei Ausgangsleitungen das Spannungspotential abwechselnd auf der einen oder anderen Leitung anliegt, sodass ein Strom mit wechselnder Polarität auf den beiden Ausgangsleitungen fließen kann. Über einen Sicherheitsschalter 8 sind die Ausgangsleitungen über ein EMV-Filter 9 mit Leitungen LH und LL des Kabels 3 verbunden. In der Leuchte 2 führen die Leitungen LH und LL auf zwei Elektroden eines Leuchtmittels 10, durch das somit abwechselnd Strom in der einen und in der anderen Richtung fließt. Das Leuchtmittel 10 kann in unterschiedlichen Ausführungsformen ausgebildet sein, ist nach derzeitiger Technik vorzugsweise eine Hochdruck-Entladungslampe, beispielsweise eine Hochdruck-Metallhalogenlampe. In die zum Leuchtmittel 10 führenden Leitungen sind Induktivitäten eingesetzt, über die von einem Zündimpulsgeber 11 generierte Stromstöße als Zündimpulse auf die Elektroden des Leuchtmittels 10 gelangen, um das Leuchtmittel 10 zu zünden. Für die Erzeugung des Zündimpulses wird ein Leiter Z des Kabels 3 im Vorschaltgerät mit einem Zündschalter 12 mit dem Leiter LH bzw. dem entsprechenden Ausgang der Wechselrichterstufe 6 verbunden.
  • In dem Zündimpulsgeber 11 der Leuchte 2 ist der Leiter Z über eine Primärspule eines Transformators 13 mit dem Leiter LL verbunden, sodass ein an der Sekundärwicklung des Transformators 13 angeschlossener Kondensator 13a auf die Durchbruchspannung einer ebenfalls auf der Sekundärseite des Transformators 13 angeordneten Funkenstrecke 14 aufgeladen wird. Mit dem Zünden der Funkenstrecke 14 wird aus dem Kondensator 13a und der angeschlossenen Induktivität ein Schwingkreis gebildet, in dem durch die eingebrachte Ladung des Kondensators 13a eine stark gedämpfte Schwingung von typisch 1 bis 5 MHz hervorgerufen wird. Diese Schwingung wird in die mit den Elektroden des Leuchtmittels 10 in Reihe geschalteten Induktivitäten eingekoppelt, wodurch sich der Versorgungsspannung des Leuchtmittels eine sehr hohe Spannung impulsartig überlagert, die zum Zünden des Leuchtmittels 10 führt.
  • In einer (nicht dargestellten) Ausführungsform dieser Zündgeräte ist bereits intern eine Verbindung des Zündgeräts 11 mit dem Anschluss LH enthalten, die über einen integrieren Zeitgeber gesteuert wird. Bei einer Verwendung dieser Ausführung kann die mit Z bezeichnete Leitung entfallen oder ist nicht mehr an die Leuchte 2 angeschlossen.
  • In bekannter Technik enthält das Kabel ferner zwei Leitungen D+, D-, die zum Durchschleifen eines Potentials dienen und einen Sensorkreis für wenigstens einen in der Leuchte 2 enthaltenden Schalter 15, 16 bilden. Diese in Analogtechnik ausgebildeten Schalter 15, 16 können im Betriebszustand geschlossen sein, sodass der geschlossene Zustand der Schalter 15, 16 im Vorschaltgerät 1 erkennbar ist. Wird einer der Schalter geöffnet, beispielsweise bei einem Glasbruch der Glasscheibe der Leuchte 2 oder durch einen Türkontaktschalter, durch den der Zugang zu der Leuchte 2 erfolgt, kann im Vorschaltgerät eine Sicherheitsabschaltung erfolgen, indem der Sicherheitsschalter 8, beispielsweise durch ein Relais, geöffnet wird, sodass das Leuchtmittel 10 der Leuchte 2 nicht mehr mit einer Betriebsspannung versorgt wird.
  • In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind an die Leiter D+ und D- des Kabels 3 im Vorschaltgerät 1 ein Datenmodul 17 mit einem Mikroprozessor 18 und in der Leuchte 2 ein Datenmodul 19 mit einem Mikroprozessor 20 angeordnet. In unten noch näher beschriebener Weise findet zwischen den Datenmodulen 17, 19 ein bidirektionaler Datenaustausch statt, der auf den für den Sensorkreis bereits vorhandenen Leitern D+, D- stattfindet, sodass das Kabel 3 keine zusätzlichen Leiter für den Datenaustausch benötigt. Wie unten noch näher erläutert wird, erfolgt über die Leiter D+, D- auch die Spannungsversorgung für das Datenmodul 19 in der Leuchte 2.
  • Figur 2a verdeutlicht schematisch die im Kabel 3 zusammengefassten Leiter, wobei die in Figur 1 dargestellte Anzahl der Leiter ohne weiteres erhöht werden kann, wie dies in Figur 2 gestrichelt dargestellt ist.
  • Figur 2b lässt erkennen, dass die zur Versorgung des Leuchtmittels 10 mit der Betriebsspannung vorgesehenen Leiter LH und LL sowie der Schutzleiter PE wegen des dort fließenden Stroms mit einem deutlich größeren Querschnitt ausgebildet sind als die für einen geringeren Strom ausgelegten Leiter D+, D- und Z sowie ggf. zusätzliche Leiter.
  • Die Leiter befinden sich in dem Kabel 3 innerhalb eines stabilen Kabelmantels 21.
  • Die Anordnung der Leiter in dem Kabel 3 hat zur Folge, dass die als Datenleiter vorgesehenen Leiter D+ und D- unterschiedliche Abstände zu den für die hohen Leistungen vorgesehenen Leiter LH einerseits und LL andererseits haben. Das Leitersystem bildet aufgrund seiner Gestaltung ein System von gekoppelten Induktivitäten 22, dass in Figur 3a veranschaulicht ist.
  • Das in Figur 3b dargestellte Diagramm zeigt den Verlauf 23 des Lampenstroms IL auf den Leitern LH und LL. Das darunter angeordnete Diagramm gemäß Figur 3c zeigt den daraus resultierenden Verlauf 24 der durch induktive Kopplung resultierenden Störimpulse. Wenn der Lampenstrom im Beispiel einer 9 kW-Lampe 10 in einer typischen Anwendung zwischen -55 A und +55 A in einer Zeitspanne von etwa 20 bis 30 µs wechselt (Figur 3b) entsteht ein induzierter Spannungsimpuls mit einer Breite von typisch 20 bis 30 µs. Die typische maximale Pulsspannung Umax liegt bei einer Kabellänge von 15 m bei ca. 7 V und erreicht bei einer Kabellänge von 100 m Werte bis 50 V.
  • Figur 4 zeigt schematisch eine ebenfalls vorhandene kapazitive Kopplung 25 zwischen den Leitern des Kabels 3, weshalb in Figur 4a zwischen den Leitern symbolisch diskrete Kapazitäten eingezeichnet sind, die als solche natürlich nicht vorhanden sind. Vielmehr bilden die Leiter über die Länge verteilte Kapazitäten aus. Diese führen bei der Umpolung der Betriebsspannung auf den Leitungen LH und LL für das Leuchtmittel 10 zu Einschwing- und Überschwingvorgängen, wie sie in Figur 4b dargestellt sind. Diese kapazitiv eingekoppelten Störungen 25' entstehen nicht vollständig simultan auf den Leitern LH und LL. In der Praxis kommt es zu einem zeitlichen Versatz der Stromänderungen aufgrund von Bauteiltoleranzen des EMV-Filters 9.
  • Amplitudenunterschiede ergeben sich aufgrund der unterschiedlichen Entfernung der Leiter D+, D- von den Leitern LH und LL.
  • Eine naheliegende Maßnahme zur Beseitigung der induktiv und/oder kapazitiv eingekoppelten Störungen könnte darin bestehen, die Leiter D+, D- im Kabel abzuschirmen oder gar in einem eigenen Kabel zu verlegen. Dies führt allerdings zu einem in vielen Anwendungsfällen wirtschaftlich nicht vertretbaren Aufwand. Eine gewisse Abhilfe kann auch dadurch erfolgen, dass die Leiter D+, D- verdrillt werden, sodass sich gemittelt gleiche Abstände zu LH und LL ergeben. Auch hierfür ist ein Aufwand erforderlich, der häufig nicht vom Anwender toleriert wird. Die im Folgenden erläuterten Schaltungsmaßnahmen dienen daher dazu, den Einsatz der bisher verwendeten einfachen, aber robusten Kabel zu ermöglichen, die weder eine Abschirmung noch eine Verdrillung von Leitern aufweisen. Demgemäß werden Schaltungsmaßnahmen realisiert, die eine Datenübertragung trotz der induktiv und kapazitiv eingekoppelten Störungen ermöglichen.
  • Bezüglich der induktiv eingekoppelten Störungen 24 zeigt Figur 5 eine prinzipielle Schaltungsmaßnahme, durch die eine Auswirkung der induktiven Kopplung 22 auf den Empfang der Daten auf der jeweiligen Empfängerseite praktisch eliminiert wird.
  • Hierzu ist in dem betreffenden Datenmodul 17, 19 eine Datenübertragungsschaltung 26 vorgesehen, die als Stromquelle mit einem hohen Innenwiderstand 27 (Ri→∞) ausgebildet ist. Da bei der Stromquelle 26 mit hohem Innenwiderstand 27 der fließende Strom weitgehend unabhängig von der Spannung ist, gelangt auf die Empfängerseite der Strom ITX. Fließt dieser Strom auf der Empfängerseite durch einen Abschlusswiderstand 28 mit dem Widerstandswert R, fällt über dem Abschlusswiderstand die Spannung UTX=R * ITX ab. Daraus resultiert, dass der Ausgangsstrom ITX in der Datenübertragungsschaltung 26 am Abschlusswiderstand 28 in eine Spannung UTX umgeformt wird und unabhängig von den induktiv eingekoppelten Störungen ist, die sich lediglich auf der Senderseite auswirken.
  • Das so dargestellte Prinzip der Eliminierung der induktiv eingekoppelten Störungen auf der Empfängerseite wird in der Praxis nicht mit einem einfachen ohmschen Abschlusswiderstand 28 realisiert werden, sondern mit einer Abschlussschaltung 29, die einen Brückengleichrichter mit nachgeschaltetem Siebkondensator und einer ohmschen Last aufweist. Hiermit ist ein für die Stromversorgung des Datenmoduls 19 auf der Empfängerseite geeigneter höherer Strom realisierbar. Diese Abschlussschaltung ist in Figur 5 als (bevorzugte) Alternative dargestellt.
  • Figur 6 zeigt exemplarisch einen schematischen Aufbau der Datenübertragungsschaltung 26 des Vorschaltgeräts 1 und einer über die Leiter D+, D- des Kabels 3 angeschlossenen Datenempfangsschaltung 30 der Leuchte 2. Datenübertragungsschaltung 26 und Datenempfangsschaltung 30 sind im Vorschaltgerät 1 und in der Leuchte 2 prinzipiell gleich aufgebaut. Figur 6 zeigt daher die für die Datenübermittlung vom Vorschaltgerät 1 zur Leuchte 2 wesentlichen Teile der Schaltung, während Figur 7 die entsprechenden Schaltungsteile für die Rückübermittlung von Daten von der Leuchte 2 zum Vorschaltgerät 1 verdeutlichen.
  • Für die Übermittlung von Daten vom Vorschaltgerät 1 zur Leuchte 2 (Figur 6) erzeugt der Mikroprozessor 18 (Figur 1) entsprechende Dateninhalte TXB, die auf eine Steuerschaltung 31 gelangen. Die Steuerschaltung 31 wird mit einem Startsignal (Enable-Signal EnB) aktiviert. Am Ausgang der Steuerschaltung 31 werden die für das Schalten einer als Vollbrücke 32 ausgebildeten Stromquelle 33 benötigten Steuersignale A, B, C, D bereit gestellt. Die Steuerschaltung funktioniert derart, dass im Zustand 1: "Datenbit = 1 senden" die Transistoren A und D, im Zustand 2: "Datenbit = 0 senden" die Transistoren B und C oder im Zustand 3 "Sender aus, empfangen!" gar kein Transistor angesteuert werden. Im Zustand 1 ermöglicht Transistor "A" einen definierten Stromfluss in den Leiter D+ hinein, Transistoren "B" und "C" sperren, und Transistor "D" verursacht einen definierten Stromfluss in den Leiter D-, sodass auf der Brückendiagonalen D+ aufwärts und D- abwärts gezogen werden. Im Zustand 2 wird nun durch Transistor "B" in D- ein Stromfluss hinein aufwärts und durch Transistor "C" aus D+ heraus abwärts erzeugt, und im Zustand 3 ist die Vollbrücke passiv, sodann können Daten empfangen werden. In einer anderen Ausführungsform können die gezeigten bipolaren Transistoren beispielsweise als MOSFET oder als JFET, oder noch andere Bauelemente bzw. Bauelementgruppen mit vergleichbaren Eigenschaften ausgeführt werden. In einer weiteren anderen Ausführungsform kann anstelle der dargestellten Emitterwiderstände jeweils eine als Stromquelle arbeitende Baugruppe vorliegen, und anstelle der vier gezeigten, diskreten Transistoren A, B, C, D können jeweils als Schalter funktionierende Bauelemente oder Baugruppen eingefügt sein. In der gezeigten Ausführungsform heißt "Ansteuern", dass die Basis des jeweiligen Transistors derart an eine von der jeweiligen Versorgungsspannung gering abliegende Spannung gelegt wird, sodass abzüglich der Emitter-Basis-Spannung eine Spannung über dem Widerstand abfällt derart, dass am Kollektor ein definierter Stromfluss entnommen werden kann. Zwischen dieser Stromtreiberschaltung und den Leitern D+, D- im Kabel ist ein Filter 36' gesetzt. Er leitet die Stromsignale aus der Treiberschaltung bei nur geringem Spannungsverlust durch, stellt jedoch für die hochfrequenten Spannungsspitzen von mehreren hundert Volt aus der kapazitiven Störeinkopplung per Tiefpass eine Barriere dar, die neben dem Zweck der Datenfilterung im Empfangsbetrieb, auch dem Zweck des Schutzes der Stromtreiberschaltung dient. Weiterhin sind Freilaufdioden 35 eingefügt, derart dass in seltenen Fällen mehrerer, sich überlagernder Störereignisse, die trotz Filter 36' zu Spannungsspitzen über die Versorgungsspannung VDD hinaus, oder unter das Massepotential herunter führen können, diese Spannungsspitzen ohne Gefahr für die Transistoren A, B, C und D über- bzw. unterschwingen können. Im Über- bzw. Unterschwingzeitraum erlischt lediglich der Stromfluss. Transistoren und Freilaufdioden müssen für die maximal zu erwartenden Überschwingspannungen ausgelegt werden.
  • In der Datenempfangsschaltung 30 sind die Leiter D+ und D- über die in Serie geschalteten Schalter 15, 16 mit einem ersten Filter 36 verbunden, das so ausgebildet ist, dass es für eine Übertragung der Versorgungsleistung des Datenmoduls 19 geeignet ist. Daran schließt sich ein zweites Filter 37 an, bevor die Signale auf den beiden Leitungen D+, D- einer Subtraktionsstufe 38 (D+ - D-) zugeleitet werden. Mit dieser Subtraktionsstufe 38 werden solche Störungen eliminiert, die auf die beiden Leiter D+, D- in gleicher Weise und gleichphasig eingekoppelt werden. Das so gebildete Empfangssignal RXL gelangt dann auf den Mikroprozessor 20 der Leuchte. An den Ausgang des ersten Filters 36 ist parallel zu dem zweiten Filter eine Spannungsversorgungsstufe 39 geschaltet, die mit einer Vollbrückenschaltung und einem nachgeschalteten Speicherkondensator aus den übertragenen Datensignalen eine Versorgungsspannung VDDL gewinnt.
  • In der Datenübertragungsschaltung 26 des Vorschaltgeräts 1 ist an einem Fußpunktwiderstand 40 der Stromquelle 33 ein Operationsverstärker 41 als Detektor für den Schalterzustand der Schalter 15, 16 angeschlossen. Ist einer der Schalter 15, 16 in der Leuchte 2 geöffnet, fließt bei der Ansteuerung der diagonalen Anschlüsse A, D bzw. B, C kein Strom, sodass über den Fußpunktwiderstand 40 keine Spannung abfällt. Dies wird von dem Operationsverstärker 41 detektiert, der seinen Pegel am Ausgang in diesem Fall absenkt, sodass das Relais in der Sicherheitsschaltung 8 (Figur 1) die Schaltkontakte öffnet und die Betriebsspannung für das Leuchtmittel 10 unterbricht. Die Operationsverstärkerbaugruppe 41 ist mit einem Tiefpass ausgestattet, sodass während der kurzzeitigen Unterbrechung des Stromflusses (Enable-Signal EnB deaktiviert), wie es bei der Datenübertragung vom Strahler zurück zum Vorschaltgerät auftritt, das Signal "D ok" am Ausgang des Operationsverstärkers 41 dennoch lückenlos gesetzt bleibt.
  • Figur 7 verdeutlicht die Datenempfangsschaltung 30 im Vorschaltgerät 1 und die Datenübertragungsschaltung 26 in der Leuchte 2. Erhält der Mikroprozessor 20 der Leuchte 2 ein Datensignal von dem Vorschaltgerät 1, mit dem die Übermittlung bestimmter Daten angefordert wird, erzeugt er die entsprechenden Datensignale als Sendesignale TXL und generiert ein Einschaltsignal EnL für die Steuerung 31. Über die Stromquelle 33 und die Filteranordnung 36 gelangt das Datensignal auf die Leiter D+, D-. Die Verarbeitung in der Datenempfangsschaltung 30 erfolgt mit den Filtern 36' und 37' sowie mit der Subtraktionsschaltung 38', wie anhand der Datenempfangsschaltung 30 für die Leuchte 2 erläutert. Zum Empfang der Datensignale wird von dem Mikroprozessor 18 des Vorschaltgeräts das Enable-Signal EnB auf Null gesetzt, sodass die Datenübertragungsschaltung 26 des Vorschaltgeräts 1 ausgeschaltet ist und die empfangenen Signale nicht beeinträchtigt.
  • Obwohl die Datenübertragungsschaltungen 26 und Datenempfangsschaltungen 30 im Vorschaltgerät 1 und in der Leuchte 2 prinzipiell gleich aufgebaut sind, gibt es geringfügige funktionale Unterschiede. Während in der Leuchte 2 der Spannungshub im Durchlassbereich des ersten Filters auf VDDL begrenzt wird, muss im Vorschaltgerät ein Überschwingen ermöglicht werden. In der Leuchte 2 wird ein (nicht dargestellter) Regler verwendet, um das Ansteigen der Spannung VDDL über einen Grenzwert hinaus zu vermeiden. Hierzu wird der Speicherkondensator, der die Energie für die Rücksendung der Daten von der Leuchte 2 zum Vorschaltgerät 1 zur Verfügung stellt, beim Überschreiten der Sollspannung etwas entladen, bis die Sollspannung wieder erreicht ist. Die Entladung kann dabei über einen zugeschalteten ohmschen Widerstand erfolgen.
  • In Figur 8 ist eine schematische Komplettschaltung für das Datenmodul 17 des Vorschaltgeräts 1 und das Datenmodul 19 der Leuchte 2 dargestellt. Dabei wird deutlich, dass das Filter 36 zugleich für das Aussenden wie für den Empfang der digitalen Signale verwendet wird.
  • Anhand der Figur 5 war verdeutlicht worden, dass induktiv eingekoppelte Störungen auf die Datenübertragung keine Auswirkungen haben, wenn senderseitig die Daten mit einer Stromquelle 33 mit einem hohen Innenwiderstand übermittelt werden. Kapazitiv eingekoppelte Störungen, wie sie in Figur 8 angedeutet werden, wirken in den Übertragungskreis hinein, indem die Koppelkapazitäten 25 des Kabels 3 mit dem Empfängerwiderstand 28, 29 (Figur 5) einen Hochpass bilden. In der Praxis liegen die kapazitiv eingekoppelten Störungen bei einer Frequenz ≥ 300 kHz. Demgemäß dienen die Filter 36, 37 und 36', 37' als Tiefpässe, mit denen, insbesondere mit den Filtern 37, 37' die hochfrequenten Störungen stark bedämpft werden. Die Unterteilung der Filter in das erste Filter 36 und das zweite Filter 37 beruht darauf, dass das erste Filter 36, 36' auch für den Sendebetrieb verwendet werden kann und für die Durchleitung größerer Leistungen geeignet ist, während die zweiten Filter 37, 37' für die Bedämpfung der kapazitiv eingekoppelten Störungen für einen störungsfreien Datenempfang ausgelegt sind. Ausführungsbeispiele für die Filter sind in der Figur 9 dargestellt.
  • Das in Figur 9a dargestellte Filter 36' ist für die Leistungsdurchleitung für den Sende- und Empfangsbetrieb im Vorschaltgerät 1 konzipiert. Demzufolge bildet die Spule L1 mit den Kondensatoren C1, C2 und dem Widerstand R1 einen Tiefpass, der starke Spannungshübe aus kapazitiver Einkopplung fernhält. Im Sendebetrieb ist der Schalter SW1 geöffnet, sodass R1 und C2 zur Senkung des Gütefaktors der L1-C1-Kombination als Dämpfungsglieder fungieren, um übermäßige Spannungsüberhöhungen im Bereich der Resonanzfrequenz zu unterbinden. Unterhalb der Grenzfrequenz verhalten sich D+ und D- zueinander hochohmig, wie dies für das Stromquellenkonzept benötigt wird.
  • Im Empfangsbetrieb ist SW1 geschlossen und R1 und R1' arbeiten als Terminierungswiderstände. Die Resonanz des L1-C1-Filters ist bedämpft, es bleibt unterhalb der L1-C1-Grenzfrequenz jedoch weiterhin niederohmig.
  • Figur 9b zeigt ein Ausführungsbeispiel des ersten Filters 36 in der Leuchte 2. Auch dieses Filter ist zur Leistungsdurchleitung ausgelegt und hält Spannungsabfälle klein, weil ein Tiefpass mit der Spule L2 gebildet wird. Auch hier werden große Spannungshübe aus kapazitiv eingekoppelten Störungen von der Stromquelle durch den Tiefpass L2, C3 fern gehalten. Beim Erreichen der Empfangsspannung VDDL durch Aufladen des Speicherkondensators per Brückengleichrichter werden die Leitungen D+, D- niederohmig vom Empfänger ausgewertet. Beim Rücksenden der Daten in einem durch die gespeicherte Energie des Speicherkondensators bestimmten Zeitintervall wird die Spannung VDDL verringert. Somit entfällt eine schaltbare Terminierung und die nachgeschaltete Kombination aus R2-C4 dient ausschließlich der Resonanzunterdrückung der vorgeschalteten L2-C3-Kombination.
  • Figur 9c zeigt ein Ausführungsbeispiel des Filters 37, das nicht mehr zur Leistungsdurchleitung geeignet ist, sondern der Einstellung einer Tiefpass-Grenzfrequenz dient. Das Filter kann mit kostengünstigen R-C-Tiefpassfilterketten realisiert sein. Da dieses Filter sich an das erste Filter 36 anschließt, ist die Verbindung zwischen R2, C4 (Figur 9b) des ersten Filters 36 wirkungsmäßig zugleich der erste Tiefpass der Tiefpasskette des Filters 37.
  • Das in Figur 9d dargestellte Filter 37' besteht ebenfalls aus kostengünstigen R-C-Tiefpassfilterketten. In ähnlicher Weise liegt der Anknüpfungspunkt für das Filter 37' an das Filter 36' zwischen L1, C1 und R1 (Figur 9a), da der Verbindungspunkt zwischen R1 und C2 während des Empfangs mit R1', C2' verbunden wird. Auf diese Weise ist das Signalfilter 37' um eine Ordnung höher ausgelegt als das Signalfilter 37.
  • Die Auslegung der Filter erfolgt so, dass kapazitiv eingekoppelte Störungen wirkungsvoll bedämpft werden. Dies hat zur Folge, dass die Datenübertragungsrate auf den Durchlassbereich der Tiefpassfilter 36, 37 und 36', 37' angepasst werden muss.
  • Da die Menge der zu übertragenen Daten begrenzt ist, liegt hierin jedoch keine wesentliche Beschränkung in der Anwendung für den Datenaustausch zwischen Vorschaltgerät 1 und Leuchte 2.
  • Das dargestellte Ausführungsbeispiel beruht darauf, dass bei der Übersendung von Datensignalen über die Leiter D+, D- von dem Vorschaltgerät 1 zur Leuchte 2 aus diesen übersandten Signalen in der Leuchte 2 nach einer Gleichrichtung ein Speicherkondensator aufgeladen wird, dessen gespeicherte Energie für die Rücksendung des mit dem Datensignal des Vorschaltgeräts 1 angeforderten Datenvolumens ausreicht. Die Rücksendung der Daten ist somit nur in einem kurzen Zeitintervall nach der Anforderung mittels eines Datensignals aus dem Vorschaltgerät 1 möglich. Auf diese Weise kann auf eine eigene Stromversorgung der Leuchte zum Zwecke der Datenübertragung verzichtet werden.

Claims (8)

  1. Leuchtenanordnung mit einem Vorschaltgerät (1) und wenigstens einer mit dem Vorschaltgerät (1) über ein Kabel (3) verbundenen Leuchte (2), in der
    - das Vorschaltgerät (1) wenigstens
    zwei Anschlüsse für die Bereitstellung einer Betriebsspannung für die Leuchte (2),
    einen Anschluss für ein Schutzpotential,
    einen Anschluss für einen Zündimpuls und
    zwei Anschlüsse eines Sensorkreises für eine Sicherheitsabschaltung aufweist,
    - die Leuchte (2) ein Leuchtengehäuse, ein Leuchtmittel (10), eine Zündschaltung (11) und wenigstens einen Schalter (15, 16) für den Sensorkreis sowie wenigstens
    zwei mit dem Leuchtmittel (10) verbundene Anschlüsse für die Zuleitung der Betriebsspannung,
    einen mit dem Leuchtengehäuse verbundenen Schutzanschluss und
    zwei mit dem wenigstens einen Schalter (15, 16) verbundene Anschlüsse aufweist,
    - das Kabel (3) mit mindestens einer der Anzahl der Anschlüsse entsprechenden Anzahl von Leitern das Vorschaltgerät (1) mit der Leuchte (2) verbindet,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Leuchte (2) wenigstens einen Sensor sowie einen Mikrorechner (20) und das Vorschaltgerät (1) einen Mikrorechner (18) aufweist und dass zwischen den Mikrorechnern (18, 20) ein bidirektionaler digitaler Datenaustausch mit jeweils einer Datenübertragungsschaltung (26) und einer Datenempfangsschaltung (30) im Vorschaltgerät (1) und in der Leuchte (2) über das Kabel (3) vorgesehen ist.
  2. Leuchtenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Versorgungsspannung für den Mikrorechner (20) und die Datenübertragungsschaltung (26) und Datenempfangsschaltung (30) der Leuchte (2) über Leiter (D+, D-) des Kabels (3) übertragbar ist, die nicht für die Übertragung der Betriebsspannung für die Leuchte (2) vorgesehen sind.
  3. Leuchtenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragungsschaltung (26) der Leuchte (2) durch eine Übertragung von Daten des Vorschaltgeräts (1) aktivierbar ist.
  4. Leuchtenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragungsschaltungen (26) und Datenempfangsschaltungen (30) sowohl des Vorschaltgeräts (1) als auch der Leuchte (2) mit nicht für die Übertragung der Betriebsspannung für die Leuchte (2) vorgesehenen Leitern (LH, LL) des Kabels (3) verbunden sind.
  5. Leuchtenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragungsschaltungen (26) und Datenempfangsschaltungen (30) sowohl des Vorschaltgeräts (1) als auch der Leuchte (2) mit denselben zwei Leitern (D+, D-) des Kabels (3) verbunden sind.
  6. Leuchtenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Leiter (D+, D-) des Kabels mit den Anschlüssen des Vorschaltgeräts (1) für den Sensorkreis und mit den beiden mit dem wenigstens einen Schalter (15, 16) verbundenen Anschlüssen der Leuchte (2) verbunden sind.
  7. Leuchtenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragungsschaltungen (26) als Stromquellen mit einem hohen Innenwiderstand und die Datenempfangsschaltungen (30) mit einem niedrigen Innenwiderstand ausgebildet sind.
  8. Leuchtenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenempfangsschaltungen (30) Tiefpassfilterkreise (36', 37') mit einer solchen Grenzfrequenz aufweisen, dass eine Trennung höherfrequenter kapazitiv eingekoppelter Übersprechstörungen von dem Nutz-Datensignal erfolgt.
EP18168756.7A 2017-05-03 2018-04-23 Leuchtenanordnung mit einem vorschaltgerät und einer leuchte Active EP3399843B1 (de)

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DE102017109493.8A DE102017109493A1 (de) 2017-05-03 2017-05-03 Leuchtenanordnung mit einem Vorschaltgerät und einer Leuchte

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