EP3399843B1 - Leuchtenanordnung mit einem vorschaltgerät und einer leuchte - Google Patents

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EP3399843B1
EP3399843B1 EP18168756.7A EP18168756A EP3399843B1 EP 3399843 B1 EP3399843 B1 EP 3399843B1 EP 18168756 A EP18168756 A EP 18168756A EP 3399843 B1 EP3399843 B1 EP 3399843B1
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EP
European Patent Office
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luminaire
ballast
data
conductors
circuit
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EP18168756.7A
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EP3399843A1 (de
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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
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    • 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
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    • 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
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    • H05B47/18—Controlling the light source by remote control via data-bus transmission
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    • H05B47/20—Responsive to malfunctions or to light source life; for protection

Definitions

  • ballast is mainly used when the at least one lamp, in particular in the form of a spotlight or spotlight, is used at a greater distance from the ballast. This is the case, for example, with film and television recordings.
  • the task of the ballast is to supply the lamp with the operating voltage for the lamp and also to ensure a safety shutdown if, for example, a glass breakage occurs in the glass pane of the lamp, which means that the lamp would no longer be safe to touch with regard to the operating voltage. It is also known to continuously measure electrical parameters of the connected lamp in the ballast when the ballast is switched on in order to adapt the output power of the ballast to the power consumption of the light source.
  • the known lighting arrangements are designed in such a way that they withstand rough field operation and require connecting cables with as few conductors as possible.
  • analog circuit technology was used, which enabled implementation with the existing conductors of the cable.
  • EP 2 434 207 A1 it is generally known to provide bidirectional data transmission between a lighting unit and a control device on the one hand and between the control device and an energy supply device formed, for example, by a photovoltaic system on the other hand.
  • the energy supply device produces a direct current
  • the lighting means of the lighting means unit can be operated with the direct current.
  • LEDs are used in particular as light sources.
  • the problem of a lamp arrangement that is operated with AC voltage signals, has a lamp that can be ignited by ignition pulses and must be suitable for rough field operation is not addressed by the previously known lighting system.
  • the present invention is based on the object of expanding the application possibilities of the known lighting arrangements, preferably with a technology that does not necessarily require additional conductors or the use of special cable technologies.
  • the task is solved by the lighting arrangement with the features of claim 1 .
  • the lamp has at least one sensor and a microcomputer and the ballast has a microcomputer and that between the microcomputers, a bidirectional digital data exchange is provided with a data transmission circuit and a data reception circuit in the ballast and in the lamp via conductors of the cable that are not intended for the transmission of the operating voltage for the lamp and that the data transmission circuits as a current source with a high internal resistance and the data reception circuits are designed with a low internal resistance and with low-pass filters.
  • the ballast contains the essential circuit technology in the usual lighting arrangements and the lighting arrangement has only included the light source and an ignition circuit for this purpose
  • the concept of the invention provides that the light of the lighting arrangement receives its own intelligence from a microcomputer. This makes it possible to determine essential parameters of the lamp during operation. These include, for example, the burning voltage of the lamp, in particular the arc of an arc lamp, the temperature of the lamp socket, the temperature of the reflector, the temperature of the ignition device, the orientation of the lamp in the gravitational field to prove improper operating positions of the lamp, a count of operating hours and, if necessary, monitoring safety devices. Since the lamp should continue to be controlled and monitored by the ballast, the bidirectional digital data transmission according to the invention is provided via the cable. In this way, controlled by the ballast, information from the lamp reaches the ballast and is stored there and/or used to initiate suitable control and/or signaling measures.
  • the supply voltage for the microcomputer and the data transmission circuit and data reception circuit of the lamp is via conductors of the cable transmitted, which are not intended for the transmission of the designed as AC voltage operating voltage of the lamp. In principle, 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 reception circuit of the lamp would then only be active when the operating voltage for the lamp is being transferred from the ballast to the lamp.
  • this would significantly limit the usability of the microcomputer and the sensors that can be connected to it.
  • the operating voltage can be provided as a pulsed AC voltage by reversing the polarity. It is advantageous if direct current is switched with a full bridge circuit in an inverter stage in such a way that the voltage potential is applied alternately to one line or the other on two output lines, so that a current with alternating polarity can flow on the two output lines.
  • the data transmission circuit of the lamp can be activated by a transmission of data from the ballast.
  • the microcomputer can temporarily store data from the sensors connected to it and transmit it to the ballast after a corresponding request by the ballast.
  • Data is transmitted from the ballast to the lamp and from the lamp to the ballast via conductors in the cable that are not intended for transmitting the operating voltage for the lamp.
  • the data transmission circuit and data reception circuit of both the ballast and the lamp are connected to conductors of the cable that are not intended for the transmission of the operating voltage.
  • the data transmission circuit and data reception circuit of both the ballast and the lamp can be connected to the same two conductors of the cable, so that the bidirectional data transmission takes place in both directions on the same two conductors.
  • These conductors can be those conductors which are connected to the terminals of the ballast for the sensor circuit and to the two terminals of the luminaire which are connected to the at least one switch.
  • These conductors can be connected to a differential circuit both in the ballast and in the luminaire, so that the useful data signal is obtained by forming the difference. A superimposed interference signal affecting both conductors would then be eliminated in the known manner when the difference is formed.
  • the data transmission circuits are designed as current sources with a high internal resistance and the data receiving circuit with a low internal resistance in order to reduce the effects of inductively coupled interference.
  • the interference is kept away from the respective data receiving circuit even if the interference coupled in inductively or by transformer is in the data transmission band in terms of frequency.
  • the data receiving circuits can have low-pass filter circuits with such a limit frequency that higher-frequency, capacitively coupled crosstalk interference is separated from the useful data signal.
  • figure 1 shows the basic structure of a ballast 1, a lamp 2 and a cable 3 connecting the ballast 1 to the lamp 2.
  • the ballast is connected to a standard AC voltage supply with the conductors L1, N and PE (protective conductor connected to the housing).
  • the AC voltage transmitted on the conductors L1, N is rectified and smoothed in a rectifier circuit 4.
  • a direct current is generated and controlled in a known manner.
  • the direct current is switched in a known manner with a full bridge circuit 7 in such a way that the voltage potential is applied alternately to one line or the other on two output lines, so that a current with alternating polarity can flow on the two output lines.
  • the output lines are connected to lines LH and LL of the cable 3 via a safety switch 8 via an EMC filter 9 .
  • the lines LH and LL lead to two electrodes of a lamp 10, through which current thus alternately flows in one direction and in the other direction.
  • the illuminant 10 can be embodied in different embodiments, according to current technology it is preferably a high-pressure discharge lamp, for example a high-pressure metal halide lamp. Inductances are used in the lines leading to the illuminant 10, via which current surges generated by an ignition pulse generator 11 reach the electrodes of the illuminant 10 as ignition pulses in order to ignite the illuminant 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, which is also arranged on the secondary side of the transformer 13 .
  • a spark gap 14 With the ignition of the spark gap 14, an oscillating circuit is formed from the capacitor 13a and the connected inductance, in which a heavily damped oscillation of typically 1 to 5 MHz is caused by the charge introduced in the capacitor 13a.
  • This oscillation is connected in series with the electrodes of the illuminant 10 Inductances are coupled in, as a result of which a very high voltage is superimposed in a pulsed manner on the supply voltage of the lamp, which leads to the lighting means 10 igniting.
  • ignition device 11 there is already an internal connection between ignition device 11 and terminal LH, which is controlled by an integrated timer. If this version is used, the line marked Z can be omitted or is no longer connected to the lamp 2.
  • the cable also contains 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 lamp 2.
  • These switches 15, 16, which are designed using analog technology, can 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 if the glass pane of the light 2 breaks or by a door contact switch that gives access to the light 2, a safety shutdown can take place in the ballast by the safety switch 8 being opened, for example by a relay, so that the lamp 10 of the lamp 2 is no longer supplied with an operating voltage.
  • a data module 17 with a microprocessor 18 and 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 for the data module 19 in the light 2 is also supplied via the conductors D+, D-.
  • Figure 2a schematically illustrates the conductors combined in cable 3, with the in figure 1 The number of conductors shown can easily be increased, as shown in figure 2 is shown in dashed lines.
  • Figure 2b shows that the conductors LH and LL provided for supplying the lamp 10 with the operating voltage and the protective conductor PE are designed with a significantly larger cross-section than the conductors D+, D- and Z, which are designed for a lower current, and possibly .additional ladder.
  • the conductors are in the cable 3 within a stable cable sheath 21.
  • the arrangement of the conductors in the cable 3 has the consequence that the conductors D+ and D- provided as data conductors have different distances to the conductors LH on the one hand and LL on the other hand provided for the high powers. Due to its design, the conductor system forms a system of coupled inductances 22 that Figure 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 arranged below 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 in a typical application changes between -55 A and +55 A in a period of about 20 to 30 ⁇ s ( Figure 3b ) creates an induced voltage pulse with a width of typically 20 to 30 ⁇ s.
  • the typical maximum pulse voltage U max is around 7 V for a cable length of 15 m and reaches values of up to 50 V for a cable length of 100 m.
  • figure 4 shows schematically a capacitive coupling 25 that is also present between the conductors of the cable 3, which is why in Figure 4a symbolically discrete capacitances are drawn in between the conductors, which of course do not exist as such. Rather, the conductors form capacitances distributed over the length.
  • FIG 4b shows schematically a capacitive coupling 25 that is also present between the conductors of the cable 3, which is why in Figure 4a symbolically discrete capacitances are drawn in between the conductors, which of course do not exist as such. Rather, the conductors form capacitances distributed over the length.
  • FIG 4b shows schematically a capacitive coupling 25 that is also present between the conductors of the cable 3, which is why in Figure 4a symbolically discrete capacitances are drawn in between the conductors, which of course do not exist as such. Rather, the conductors form capacitances distributed over the length.
  • figure 6 shows an example of a schematic structure of the data transmission circuit 26 of the ballast 1 and a data receiving circuit 30 of the lamp 2 connected via the conductors D+, D- of the cable 3.
  • the data transmission circuit 26 and the data receiving circuit 30 are basically the same in the ballast 1 and in the lamp 2.
  • figure 6 therefore shows the essential parts of the circuit for data transmission from the ballast 1 to the lamp 2, while figure 7 the corresponding circuit parts for the return of data from the lamp 2 to the ballast 1 illustrate.
  • the microprocessor 18 For the transmission of data from ballast 1 to luminaire 2 ( figure 6 ) the microprocessor 18 generates ( figure 1 ) Corresponding data contents TX B that reach 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 current source 33 designed as a full bridge 32 are provided at the output of the control circuit 31 .
  • transistor "A” allows a defined current flow into the D+ conductor
  • transistors “B” and “C” block
  • transistor “D” causes a defined current flow into the D- conductor, so that on the bridge diagonal D+ goes up and D - be pulled down.
  • current flow is now generated up through transistor “B” in D- and down out of D+ through transistor “C”, and in state 3 the full bridge is passive, then data can be received.
  • the bipolar transistors shown can be designed, for example, as MOSFETs or as JFETs, or other components or component groups with comparable properties.
  • control means that the base of the respective transistor is connected to a voltage that is slightly different from the respective supply voltage, so that minus the emitter-base voltage, a voltage drops across the resistor such that a defined current flow at the collector can be removed.
  • a filter 36' is placed 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 in such a way that it is suitable for transmitting the supply power of the data module 19.
  • a first filter 36 which is designed in such a way that it is suitable for transmitting the supply power of the data module 19.
  • This is followed by a second filter 37 before the signals on the two lines D+, D- are fed to a subtraction stage 38 (D+-D-).
  • This subtraction stage 38 eliminates those interferences which are injected into the two conductors D+, D- in the same way and in phase.
  • the received signal RX L formed in this way then reaches the microprocessor 20 of the lamp.
  • a voltage supply stage 39 is connected to the output of the first filter 36 in parallel with the second filter, which voltage supply stage 39 obtains a supply voltage VDD L from the transmitted data signals using a full bridge circuit and a downstream storage capacitor.
  • an operational amplifier 41 as a detector for the Switch state of the switches 15, 16 connected. If one of the switches 15, 16 in the lamp 2 is open, no current flows when the diagonal connections A, D or B, C are activated, so that no voltage drops across the base point resistor 40. This is detected by the operational amplifier 41, which in this case lowers its level at the output so that the relay in the safety circuit 8 ( figure 1 ) opens the switching contacts and interrupts the operating voltage for the illuminant 10.
  • the operational amplifier module 41 is equipped with a low-pass filter so that during the brief interruption in the current flow (enable signal En B deactivated), as occurs during data transmission from the radiator back to the ballast, the "D ok" signal at the output of the operational amplifier 41 is still uninterrupted remains set.
  • FIG 7 shows the data receiving circuit 30 in the ballast 1 and the data transmission circuit 26 in the lamp 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 switch-on signal En L for the controller 31.
  • the data signal reaches the conductors D+, D- via the current source 33 and the filter arrangement 36.
  • the processing in the data reception circuit 30 takes place with the filters 36' and 37' as well as with the subtraction circuit 38', as explained with reference to the data reception circuit 30 for the lamp 2.
  • the microprocessor 18 of the ballast sets the enable signal En B to zero, so that the data transmission circuit 26 of the ballast 1 is switched off and the received signals are not affected.
  • the data transmission circuits 26 and data receiving circuits 30 in the ballast 1 and in the lamp 2 are constructed in the same way in principle, there are minor functional differences. While the voltage swing in the passband of the first filter is limited to VDD L in luminaire 2, overshooting in the ballast must be allowed. A regulator (not shown) is used in the lamp 2 to prevent the voltage VDD L from rising above a limit. For this purpose, the storage capacitor, which provides the energy for sending the data back from the lamp 2 to the ballast 1, is discharged somewhat when the target voltage is exceeded, until the target voltage is reached again. The discharge can take place via a connected ohmic resistor.
  • FIG 8 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 becomes clear that the filter 36 is used both for the transmission and for the reception of the digital signals.
  • inductively coupled interference has no effect on the data transmission if the data is transmitted using a current source 33 with a high internal resistance at the transmitter end.
  • Capacitively coupled interference as in figure 8 are indicated, have an effect on the transmission circuit in that the coupling capacitances 25 of the cable 3 with the receiver resistance 28, 29 ( figure 5 ) form a high pass.
  • the capacitively coupled interference is at a frequency ⁇ 300 kHz. Accordingly, the filters 36, 37 and 36', 37' serve as low-pass filters, with which, in particular with the filters 37, 37', the high-frequency interference is strongly damped.
  • the subdivision of the filter 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 transmission and is suitable for the transmission of larger powers, while the second filter 37, 37' for the damping of the capacitively coupled interference are designed for interference-free data reception. Examples of the filters are in the figure 9 shown.
  • the filter 36' shown is designed for the transmission of power for transmission and reception in the ballast 1. Consequently, the coil L1 forms a low-pass filter with the capacitors C1, C2 and the resistor R1, which keeps large voltage swings away from capacitive coupling.
  • the switch SW1 is open, so that R1 and C2 act as attenuators to lower the quality factor of the L1-C1 combination in order to prevent excessive voltage increases in the range of the resonant frequency.
  • D+ and D- have a high resistance to one another, as required for the current source concept.
  • SW1 In receive mode, SW1 is closed and R1 and R1' operate as terminating resistors.
  • the resonance of the L1-C1 filter is damped, but it remains low-impedance below the L1-C1 cutoff frequency.
  • Figure 9b shows an embodiment of the first filter 36 in the lamp 2.
  • This filter is also designed for power transmission and keeps voltage drops small because a low-pass filter is formed with the coil L2.
  • L2 low-pass filter
  • large voltage swings from capacitively coupled interference are kept away from the current source by the low-pass filter L2, C3.
  • the receiving voltage VDD L is reached by charging the storage capacitor using a bridge rectifier, the lines D+, D- are evaluated with low resistance by the receiver.
  • the data is sent back in a time interval determined by the stored energy of the storage capacitor, the voltage VDD L is reduced. This means that there is no switchable termination and the downstream combination of R2-C4 is used exclusively to suppress the resonance of the upstream L2-C3 combination.
  • Figure 9c shows an embodiment of the filter 37, which is no longer suitable for power transmission, but is used to set a low-pass cut-off frequency.
  • the filter can be implemented with inexpensive RC low-pass filter chains. Since this filter follows the first filter 36, the connection between R2, C4 ( Figure 9b ) of the first filter 36 is effectively the first low-pass filter of the low-pass chain of the filter 37.
  • the filter 37' shown also consists of inexpensive RC low-pass filter chains.
  • the connection point for filter 37' to filter 36' is between L1, C1 and R1 ( Figure 9a ), since the connection point between R1 and C2 is connected to R1', C2' during reception.
  • the signal filter 37' is designed one order higher than the signal filter 37.
  • the filters are designed in such a way that capacitively coupled interference is effectively dampened.
  • the consequence of this is that the data transmission rate has to be adapted to the passband of the low-pass filters 36, 37 and 36', 37'. Since the amount of data to be transmitted is limited, this does not mean that there are any significant limitations in the application for data exchange between ballast 1 and luminaire 2.
  • the exemplary embodiment shown is based on the fact that when data signals are transmitted via the conductors D+, D- from the ballast 1 to the luminaire 2, a storage capacitor is charged from these transmitted signals in the luminaire 2 after rectification, the stored energy of which is used for the return of the the data signal of the ballast 1 requested data volume is sufficient.
  • the data can therefore only be sent back in a short time interval after the request by means of a data signal from the ballast 1 . In this way, the lamp does not need its own power supply for the purpose of data transmission.

Landscapes

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

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 als Wechselspannung ausgebildeten Betriebsspannung für die Leuchte und
      • einen Anschluss für ein Schutzpotential, aufweist,
    • die Leuchte ein Leuchtengehäuse, ein Leuchtmittel und eine Zündschaltung sowie wenigstens
      • zwei mit dem Leuchtmittel verbundene Anschlüsse für die Zuleitung der Betriebsspannung und
      • einen mit dem Leuchtengehäuse verbundenen Schutzanschlussaufweist,
    • wobei das Kabel mit mindestens einer der Anzahl der Anschlüsse entsprechenden Anzahl von Leitern das Vorschaltgerät mit der Leuchte verbindet.
  • Derartige beispielsweise in der WO 03/065771 A1 beschriebene, gattungsgemäße 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.
  • Durch EP 2 434 207 A1 ist es grundsätzlich bekannt, zwischen einer Leuchtmitteleinheit und einer Steuervorrichtung einerseits wie zwischen der Steuervorrichtung und einer beispielsweise durch eine Photovoltaikanlage gebildete Energieversorgungsvorrichtung andererseits jeweils eine bidirektionale Datenübermittlung vorzusehen. Die Energieversorgungsvorrichtung produziert dabei einen Gleichstrom, und die Leuchtmittel der Leuchtmitteleinheit sind mit dem Gleichstrom betreibbar. Angesprochen sind Anlagen für private Haushalte, in denen als Leuchtmittel insbesondere LEDs eingesetzt werden. Die Problemstellung einer Leuchtenanordnung, die mit Wechselspannungssignalen betrieben wird, eine durch Zündimpulse zündbare Leuchte aufweist und für einen rauen Feldbetrieb geeignet sein muss, ist durch die vorbekannte Beleuchtungsanlage nicht angesprochen.
  • 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 Aufgabe wird durch die Leuchtenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • 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 Leiter des Kabels vorgesehen ist, die nicht für die Übertragung der Betriebsspannung für die Leuchte vorgesehen sind und dass die Datenübertragungsschaltungen als Stromquelle mit einem hohen Innenwiderstand und die Datenempfangsschaltungen mit einem niedrigen Innenwiderstand und mit Tiefpässen ausgebildet sind.
  • 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. Die Betriebsspannung kann durch Umpolung als eine gepulste Wechselspannung ausgebildet bereitgestellt werden. Vorteilhaft ist es, wenn in einer Wechselrichterstufe Gleichstrom mit einer Vollbrückenschaltung so geschaltet wird, dass auf zwei Ausgangsleitungen das Spannungspotential abwechselnd auf der einen oder anderen Leitung anliegt, so dass ein Strom mit wechselnder Polarität auf den beiden Ausgangsleitungen fließen kann.
  • 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 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 (7)

  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) mit abwechselndem Spannungspotential an den beiden Anschlüssen, so dass ein Strom mit wechselnder Polarität fließt,
    einen Anschluss für ein Schutzpotential, und
    einen Anschluss für einen Zündimpuls aufweist,
    - die Leuchte (2) ein Leuchtengehäuse, ein Leuchtmittel (10) und eine Zündschaltung (11) sowie wenigstens
    zwei mit dem Leuchtmittel (10) verbundene Anschlüsse für die Zuleitung der Betriebsspannung,
    einen mit dem Leuchtengehäuse verbundenen Schutzanschluss, und
    einen mit der Zündschaltung (11) verbundenen Anschluss 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) einen Mikrorechner (20) sowie wenigstens einen an den Mikrorechner (20) angeschlossenen Sensor und das Vorschaltgerät (1) einen Mikrorechner (18) aufweist, wobei der Mikrorechner (20) der Leuchte (2) zur Zwischenspeicherung von Daten des wenigstens einen an ihm angeschlossenen Sensors und zur Übermittlung der Daten nach einer entsprechenden Aufforderung durch das Vorschaltgerät (1) an das Vorschaltgerät (1) eingerichtet ist, und dass zwischen den Mikrorechnern (18, 20) ein bidirektionaler digitaler Datenaustausch mit jeweils einer mit zwei weiteren Anschlüssen der Leuchte (2) verbundenen Datenübertragungsschaltung (26) und einer mit zwei weiteren Anschlüssen des Vorschaltgerätes (1) verbundenen Datenempfangsschaltung (30) im Vorschaltgerät (1) und in der Leuchte (2) über zusätzliche Leiter des Kabels (3) vorgesehen ist und dass die Datenübertragungsschaltungen (26) als Stromquelle mit einem hohen Innenwiderstand und die Datenempfangsschaltungen (30) mit einem niedrigen Innenwiderstand und mit Tiefpässen ausgebildet sind.
  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 Sensor 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 Datenempfangsschaltungen (30) Tiefpassfilterkreise (36', 37') mit einer solchen Grenzfrequenz aufweisen, dass eine Trennung höherfrequenter kapazitiv eingekoppelter Übersprechstörungen von dem Nutz-Datensignal erfolgt.
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