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Title:
MULTI-CHANNEL DIMMER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/029910
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a dimmer for controlling the power consumption of a connectable load, in particular of an integrated or connectable lighting device, comprising at least two dimmer channels (K1, K2, Kx), each having a channel control device (S1, S2, Sx). Of the dimmer channels (K1, K2, Kx), at least one measurement dimmer channel (K1) comprises a measuring device (M1), which is at least suitable for producing information about the behavior of the electricity at a point in the measurement dimmer channel. The dimmer also comprises a main control device (HS), which is at least suitable for producing control commands for the dimmer channels, and a communication connection (V), which is at least suitable for transferring such control commands from the main control device (H) to the channel control device (S1) of a dimmer channel (K1). The dimmer (D) also comprises at least one channel communication connection (V12, V23, V(x-1)x), which is at least suitable for transferring information from a first dimmer channel (K1, K2) to a second dimmer channel (K2, Kx), in particular information about the behavior of the electricity at the point in the measurement dimmer channel (K1).

Inventors:
REISLHUBER, Jakob (Von-Moreau-Str. 41, Mötzing, 93099, DE)
Application Number:
EP2018/067906
Publication Date:
February 14, 2019
Filing Date:
August 08, 2018
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS SCHWEIZ AG (Freilagerstrasse 40, 8047 Zürich, 8047, CH)
International Classes:
H05B39/04; H05B39/08; H05B41/392
Foreign References:
DE102006013518B32007-09-27
EP2925095A12015-09-30
US20040212325A12004-10-28
EP1158841A22001-11-28
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
MAIER, Daniel (Siemens Aktiengesellschaft, Postfach 22 16 34, München, 80506, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Dimmer zur Steuerung der Leistungsaufnahme einer an- schliessbaren Last, mit mindestens

zwei Dimmerkanälen (Kl, K2 , Kx) mit je einer Kanalsteuereinrichtung (Sl, S2, Sx) ,

von welchen Dimmerkanälen (Kl, K2, Kx) zumindest ein Messdimmerkanal (Kl) eine Messeinrichtung (Ml) die zumindest geeignet ist, um Informationen über das Verhalten der Elekt- rizität an einer Stelle im Messdimmerkanal zu erzeugen, um- fasst,

einer Hauptsteuereinrichtung (HS) die zumindest geeignet ist, um Steuerbefehle für die Dimmerkanäle zu erzeugen, und einer Kommunikationsverbindung (V) die zumindest geeig- net ist, um solche Steuerbefehle von der Hauptsteuereinrichtung (H) an die Kanalsteuereinrichtung (Sl) eines Dimmerka- nals (Kl) zu übertragen,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Dimmer (D) mindestens eine Kanalkommunikations- Verbindung (V12, V23, V(x-l)x) die zumindest geeignet ist, um Informationen von einem ersten Dimmerkanal (Kl, K2 ) an einen zweiten Dimmerkanal (K2, Kx) zu übertragen, umfasst, und

dass die Kanalkommunikationsverbindung (V12, V23, V(x- l)x) zumindest geeignet ist, um Informationen über das Ver- halten der Elektrizität an der Stelle im Messdimmerkanal (Kl) zu übertragen.

2. Dimmer nach Anspruch 1,

wobei die Kanalkommunikationsverbindung (V12, V23, V(x- l)x) zumindest geeignet ist, um diese Informationen an die

Kanalsteuereinrichtung (S2, Sx) des zweiten Dimmerkanals (K2, Kx) zu übertragen.

3. Dimmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

wobei diese Informationen eine Angabe über die Zeit von zumindest einem Nulldurchgang der Spannung an der Stelle im Messdimmerkanal (Kl) enthalten.

4. Dimmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kanalsteuereinrichtung (S2, Sx) des zweiten Dimmerkanals (K2, Kx) aufgrund gespeicherter Daten geeignet ist, anhand dieser Informationen Informationen über das Ver- halten der Elektrizität an einer Stelle im zweiten Dimmerka- nal (K2, Kx) zu erzeugen.

5. Dimmer nach Anspruch 4,

wobei die Daten einen Zeitwert enthalten, welcher eine Abschätzung der Zeit für die Verarbeitung und die Übertragung der Informationen vom Messdimmerkanal (Kl) bis zur Steuereinrichtung des zweiten Dimmerkanals (K2, Kx) gleicht.

6. Dimmer nach einem der Ansprüche 4 und 5,

wobei die Informationen über das Verhalten der Elektrizität an der Stelle im zweiten Dimmerkanal (K2, Kx) eine An¬ gabe über die Zeit von zumindest einem Nulldurchgang der Spannung enthalten. 7. Dimmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

wobei die Kanalkommunikationsverbindung (V12, V23, V(x- l)x) zumindest auch geeignet ist, um Steuerbefehle aus der Hauptsteuereinrichtung (H) von der Kanalsteuereinrichtung (Sl, S2) des ersten Dimmerkanals (Kl, K2 ) an die Kanalsteuer- einrichtung (S2, Sx) des zweiten Dimmerkanals (K2, Kx) zu übertragen .

8. Dimmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

wobei die Kanalkommunikationsverbindung (VI, V2, V(x- l)x) ein Element zur galvanischen Trennung des ersten Dimmerkanals (Kl, K2 ) vom zweiten Dimmerkanal (K2, Kx) umfasst.

9. Dimmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

wobei die Hauptsteuereinrichtung (H) eine Kanalsteuer- einrichtung ist.

10. Dimmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

wobei der erste Dimmerkanal ein anderer als der Messdim merkanal (Kl) ist.

11. Dimmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

wobei mindestens zwei Kanalkommunikationsverbindungen geeignet sind, um je Informationen über das Verhalten der Elektri zität im Messdimmerkanal (Kl) vom Messdimmerkanal (Kl) an mindestens zwei andere Dimmerkanäle zu übertragen.

Description:
Beschreibung MEHRKANALDIMMER

Die Erfindung betrifft einen Dimmer, nämlich ein Gerät zur Steuerung der elektrischen Leistungsaufnahme einer elektrischen Last, insbesondere einer integrierten oder anschliess- baren Leuchteinrichtung. Dimmer sind allgemein bekannt und sie dienen dazu, elektrische Leistung zu variieren.

Eine solche Leistungsvariation kann bevorzugt durch Phasenanschnittsteuerung oder durch Phasenabschnittsteuerung erfolgen. Bei der Phasenanschnittsteuerung wird der Strom verzö- gert nach dem Nulldurchgang der Wechselspannung eingeschaltet und fließt bis zum nächsten Stromnulldurchgang. Sie ist bevorzugt bei eineminduktiven Lastverhalten. Bei der Phasenabschnittsteuerung hingegen wird der Strom nach dem Nulldurchgang sofort eingeschaltet und vor dem nächsten Nulldurchgang wieder ausgeschaltet. Diese ist bevorzugt bei einem kapaziti ¬ ven Lastverhalten. Um die dazu benötigten Steuerbefehle an seine Schaltkomponenten zu erzeugen, weist der Dimmer eine Hauptsteuereinrichtung auf. Mehr spezifisch betrifft die Erfindung sogenannte Mehrkanal- dimmer. Diese weisen mehrere einzelne Dimmer auf, welche je ein Teil der elektrischen Last steuern. Für eine Leistungssteigerung sind diese so-genannten Dimmerkanäle ausgangssei- tig parallel, sequentiell oder gemischt schaltbar. Es werden mehrere physikalische Kanäle zusammengeschaltet und es ent ¬ steht ein leistungsstarker logischer Kanal. Die Dimmerkanäle können dabei in einem Gerät sein, oder aber in mehreren Geräten . Es ist jedoch wichtig, eben wegen dieser Zusammenschaltung, dass die Ausgänge der Dimmerkanäle weitgehend synchronisiert sind. Wenn beispielsweise zwei Kanäle parallel geschaltet wurden und der zweite Kanal zu spät (bei Phasenanschnitt) oder zu früh (bei Phasenabschnitt) schaltet, wird der erste Kanal mehr überlastet, als wenn beide synchron falsch schal ¬ ten. Dies kann zu einer übermäßigen Erwärmung oder einem Ausfall des ersten Dimmerkanals , oder sogar zum Abschalten des Dimmers führen.

In bekannten Mehrkanaldimmern weist jeder Dimmerkanal eine eigene Kanalsteuereinrichtung auf, mit Vorteil einen einfachen Prozessor, sowie eine Messeinrichtung für das Messen der Elektrizität im Kanal, welche teilweise eben auch durch die ¬ sen Prozessors gebildet sein kann. Dank der Messeinrichtung bekommt die Kanalsteuereinrichtung die für die Erkennung des Phasenanschnitts oder des Phasenabschnitts nötigen Informati ¬ onen über das periodische Verhalten der Elektrizität im Ka- nal . Die von der Hauptsteuereinrichtung erzeugten Steuerbefehle werden über je eine Kommunikationsverbindung zu den Kanalsteuereinrichtungen der Dimmerkanäle übertragen und Vorort im Einklang mit den Informationen über das periodische Verhalten der Elektrizität im Kanal umgesetzt.

Insbesondere die Komplexität der Messeinrichtungen führt zu hohen Entwicklungskosten und Produktionskosten. Auch können durch Bauteiletoleranzen oder durch Alterung der Bauteile Un- genauigkeiten bei der Nulldurchgangserkennung entstehen. Die daraus folgenden zeitlichen Unterschiede führen dann zu einem nicht synchronen Schalten der Dimmerkanäle und zu den oben beschriebenen Problemen. Ein Geräteaustausch oder eine Neukalibrierung dessen Bauteile ist zwar möglich, jedoch nicht ohne Kosten und gegebenenfalls Folgeschaden wegen Betriebsstö- rung.

Der Patentanmelder hat in einer früheren Patentanmeldung gezeigt, wie man viele solchen Probleme lösen kann. Dies wird, kurz gesagt, dadurch erreicht, dass die Hauptsteuereinrich- tung auch Synchronisierungssignale an die Kanalsteuereinrich ¬ tungen verteilt. Diese Synchronisierungssignale basieren auf die Informationen von der Messeinrichtung in einem einzigen Dimmerkanal, hier deswegen Messdimmerkanal genannt. Es hat sich nun jedoch gezeigt, dass ein alternativer Weg mit Optimierungspotential vorhanden ist.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Nachteile aus den Stand der Technik zu mildern.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten Patentanspru ¬ ches gelöst. Dementsprechend umfasst der erfindungsgemässe Dimmer mindes ¬ tens zwei Dimmerkanäle mit je einer Kanalsteuereinrichtung. Zumindest einer der Dimmerkanäle ist ein Messdimmerkanal , weil er eine Messeinrichtung für das Messen der Elektrizität im Kanal umfasst. Ihre Informationen über das Verhalten der Elektrizität im Messdimmerkanal werden zur Kanalsteuerein ¬ richtung des Messdimmerkanals übertragen. Der Dimmer umfasst weiter eine Hauptsteuereinrichtung die zumindest Steuerbefehle für die Dimmerkanäle erzeugen kann, sowie eine Hauptkommu ¬ nikationsverbindung die zumindest geeignet ist, um solche Steuerbefehle von der Hauptsteuereinrichtung an die Kanalsteuereinrichtung eines Dimmerkanals zu übertragen. Weiter umfasst der Dimmer mindestens eine Kanalkommunikationsverbindung von einem ersten Dimmerkanal zu einem zweiten Dimmerka- nal, bevorzugt mit einem Element zur galvanischen Trennung des ersten Dimmerkanals vom zweiten Dimmerkanal, bevorzugt mit einem Opto-Koppler oder alternativ mit einer Transformatorschaltung. Diese Kanalkommunikationsverbindung kann Informationen, und zwar zumindest über das Verhalten, bevorzugt das periodische Verhalten, der Elektrizität im Messdimmerka- nal, von der Messeinrichtung oder aber von der Kanalsteuereinrichtung eines ersten Dimmerkanals an einen zweiten Dimmerkanal, vorzugsweise an die Kanalsteuereinrichtung des zweiten Dimmerkanals, übertragen. Bevorzugt ist die Kanalkom ¬ munikationsverbindung auch geeignet, in umgekehrter Richtung Informationen zu übertragen.

Weil eine Kommunikationsverbindung zwischen jeder Kanalsteuereinrichtung der Dimmerkanäle und einer Hauptsteuereinrich- tung des Dimmers ohnehin benötigt ist, bevorzugt inklusive galvanischer Trennung, kann man mit geringfügigem Mehraufwand Kanalkommunikationsverbindungen zwischen den Kanalsteuereinrichtungen untereinander aufnehmen, welche sogar ein Teil der Kommunikationsverbindungen zwischen den Kanalsteuereinrichtungen und der Hauptsteuereinrichtung des Dimmers ersetzen können .

Die Informationen über das periodische Verhalten der Elektri- zität in einem Messdimmerkanal sind bevorzugt eine Angabe über die Zeit des Absendens der Informationen durch die Ka ¬ nalsteuereinrichtung des ersten Dimmerkanals , oder bevorzugt eine Angabe über die Zeit von zumindest einem Nulldurchgang der Spannung im Messdimmerkanal. Aufgrund gespeicherter Daten kann die Kanalsteuereinrichtung des zweiten Dimmerkanals anhand der Informationen über das periodische Verhalten der Elektrizität im Messdimmerkanal Informationen über das perio ¬ dische Verhalten der Elektrizität Vorort erzeugen, mit denen sie die Elektrizität im Kanal genau und synchron zu den übri- gen Dimmerkanälen schalten kann. Diese gespeicherten Daten enthalten bevorzugt einen Zeitwert, welcher eine Abschätzung der Zeit für die Verarbeitung und die Übertragung der Informationen vom Messdimmerkanal bis zur Steuereinrichtung des zweiten Dimmerkanals gleicht. Der Zeitwert ist für jedes Dim- merkanal eine Konstante und mag Werte über die Zeit für das Erzeugen der Informationen durch die Messeinrichtung, deren Übertragung durch die Kanalkommunikationsverbindung oder durch die Kanalkommunikationsverbindungen vom Messdimmerkanal bis zum zweiten Dimmerkanal und deren Verarbeitung in den Dimmerkanälen enthalten. Man kann ihn für jeden Dimmerkanal ermitteln, nämlich aus einer Kalibrierung mit Messungen am Dimmer oder an sonstige Dimmer aus derselben Baureihe oder in einer Simulierung mittels eines Rechners. Bevorzugt sind die Daten in den Kanalsteuereinrichtungen fest abgespeichert wor- den.

Dadurch, dass das Signal ohne aufwendige Verarbeitung über eine kurze Distanz übertragen wird, kommen die Informationen über das periodische Verhalten der Elektrizität im Messdim- merkanal mit geringer, aber vor allem bei Wiederholung und trotz Alterung der Komponenten mit nahezu gleicher Verzögerung bei der Kanalsteuereinrichtung des zweiten Dimmerkanals an. Es ist bemerkenswert, dass dies sogar auch für die Ge- samtübertragungsverzögerung gilt, wenn das Signal von der ursprünglichen Kanalsteuereinrichtung des Messdimmerkanals via einige Kanalsteuereinrichtungen und über die Kanalkommunikationsverbindungen dazwischen übertragen wird. Dementsprechend kann der erste Dimmerkanal zu einer Kanalkommunikationsverbindung ein anderer als der Messdimmerkanal sein.

In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung kann die Kanalkommunikationsverbindung zumindest auch Steuerbefehle aus der Hauptsteuereinrichtung von der Kanalsteuereinrichtung des ersten Dimmerkanals an die Kanalsteuereinrichtung des zweiten Dimmerkanals übertragen. Somit werden auf demselben Weg gleich auch die Instruktionen zum Schaltverhalten an mehrere Dimmerkanäle verteilt, was direkte Kommunikationsverbindungen zur Hauptsteuereinrichtung des Dimmers erübrigt. Auch dies kann aus Kostengründen unidirektional stattfinden, obwohl eine bidirektionale Kommunikation Vorteile bringt.

In einer Variante der Erfindung gibt es die mindestens eine Kanalkommunikationsverbindung zwischen der Kanalsteuereinrichtung des Messdimmerkanals und jeder Kanalsteuereinrichtung von zumindest zwei Dimmerkanälen . Somit hat der Messdimmerkanal eine direkte Kanalkommunikationsverbindung mit mehreren Steuereinrichtungen von sonstigen Dimmerkanälen. Dies mag als ebenso viele einzelne Kanalkommunikationsverbindungen ausgeführt sein, oder aber als eine einzige Kanalkommunikati ¬ onsverbindung für eine Buskommunikation oder Ähnliches, gemäss welcher Telegramme dank einer Einzeladresse oder einer Gruppenadresse am Ziel empfangen werden.

Nach einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist sogar die Hauptsteuereinrichtung eine Kanalsteuereinrichtung. zeigen

die Figur 1 die Funktionsaufteilung von einem ersten er findungsgemässen Mehrkanaldimmer am Versorgungsnetz und eine Last,

die Figur 2 die Funktionsaufteilung von einem zweiten erfindungsgemässen Mehrkanaldimmer am Versorgungsnetz und eine Last, und

die Figur 3 mit einigen vereinfachten Schaltkreisen zweier Dimmerkanäle und die Kanalkommunikationsverbindung dazwischen des zweiten erfindungsgemässen Mehrka- naldimmers .

Die Figur 1 zeigt die Funktionsaufteilung eines Mehrkanaldim- mers D am Versorgungsnetz N, LI. Der Mehrkanaldimmers D weist mehrere, von einander galvanisch getrennte Dimmerkanäle Kl, K2, Kx mit je einer Kanalsteuereinrichtung Sl, S2, Sx auf. Die Dimmerkanäle sind über Anschlussklemmen AI, A2, Ax zur Last L ausgangsseitig parallel geschaltet, damit jeder ihr ein Teil des Stroms zuführen kann.

Der Dimmer D startet aufgrund eines externen Befehls B. Eine Hauptsteuereinrichtung H erzeugt Steuerbefehle, welche via eine Kommunikationsverbindung V an die Kanalsteuereinrichtung Sl des Dimmerkanals Kl gelangen.

Der Dimmerkanal Kl enthält eine Messeinrichtung Ml die geeig ¬ net ist, um Informationen über das Verhalten der Elektrizität an einer Stelle im Kanal zu erzeugen, und zwar insbesondere Informationen über den Nulldurchgang der Spannung. Der Dim- merkanal Kl heisst deshalb auch Messdimmerkanal . In Betrieb überträgt eine Kommunikationsverbindung solche Informationen von der Messeinrichtung Ml zur Kanalsteuereinrichtung Sl.

Ausgehend vom Messdimmerkanal Kl führt eine Kanalkommunikati ¬ onsverbindung V12, V23, V(x-l)x jeweils von einem Dimmerkanal zum nächsten Dimmerkanal. In bevorzugter Weise sind diese Ka ¬ nalkommunikationsverbindungen V12, V23, V(x-l)x geeignet, um Informationen über das Verhalten der Elektrizität im Messdim- merkanal Kl an die Kanalsteuereinrichtung S2, Sx des nächsten Dimmerkanals K2, Kx zu übertragen, und zwar hier von der Kanalsteuereinrichtung Sl, S2 des einen Dimmerkanals Kl, K2 an die Kanalsteuereinrichtung S2, Sx des anderen Dimmerkanals K2, Kx . Darüber hinaus können diese Kanalkommunikationsverbindungen V12, V23, V(x-l)x auch die Steuerbefehle der

Hauptsteuereinrichtung H weitertragen.

Die Kommunikationsverbindungen V, V12, V23, V(x-l)x zwischen den galvanisch getrennten Hauptsteuereinrichtung H und den

Dimmerkanälen Kl, K2, Kx enthalten je beidseitig einen Optokoppler .

In der Variante in der Figur 2 verknüpfen die Kanalkommunika- tionsverbindungen V12, V23, V(x-l)x zwischen den Dimmerkanälen Kl, K2, Kx die Messeinrichtung M mit den jeweiligen Kanalsteuereinrichtungen Sl, S2, Sx für eine sehr zeitnahe Übertragung. Die Kanalkommunikationsverbindungen V12, V23, V(x-l)x sind unidirektional ausgeführt, weshalb separate Kom- munikationsverbindungen V die Steuerbefehle der Hauptsteuereinrichtung H zu jedem Dimmerkanal Kl, K2, Kx liefern und etwaige Rückmeldungen retournieren .

Die Figur 3 zeigt Messdimmerkanal Kl, Dimmerkanal K2 und de- ren Kanalkommunikationsverbindung V12 des zweiten erfindungs- gemässen Mehrkanaldimmers , wobei vereinfacht die Schaltkreise der Messeinrichtung M, der Kanalkommunikationsverbindung V12 und des Dimmerkanals K2 dagestellt sind. Ein Operationsver ¬ stärker Nil der Messeinrichtung Ml verwandelt die Netzspan- nung von 230 Volt in ein besser zu verarbeitendes Signal. Ein Komparator N12 der Messeinrichtung Ml analysiert dieses Signal auf Nulldurchgänge. Die Nulldurchgänge werden direkt an die Kanalsteuereinrichtung Sl aber auch an einen Optokoppler in der Kanalkommunikationsverbindung V12 weiter gegeben.

Zwecks galvanischer Trennung enthält der Optokoppler eine

Leuchtdiode und einen lichtempfindlichen Widerstand, welche einen Strom via den Widerstand R im Dimmerkanal K2 schaltet. Somit überträgt der Optokoppler die Information zu den Null- durchgängen mit geringer Verzögerung an die Kanalsteuereinrichtung S2 und zur nächsten Kanalkommunikationsverbindung.

In einer weiteren, nicht dargestellten Variante der Erfindung gelangen die Steuerbefehle der Hauptsteuereinrichtung H ähnlich wie in der Variante von Figur 1 über einen einzigen Kommunikationsverbindung V an die Kanalsteuereinrichtung Sl des Dimmerkanals Kl. Die Kanalsteuereinrichtung Sl gibt sie je ¬ doch am nächsten Dimmerkanal K2 weiter über die Kanalkommuni- kationsverbindungen V12, wie in der Variante der Figur 2. Dazu sind aber solche, in der Figur 3 skizzierten Kanalkommunikationsverbindungen V12, V23, V(x-l)x beispielsweise vor der Leuchtdiode mit einem Schalter und einem Widerstand in einer Reihe zur Erde ergänzt. Der Schalter, zum Beispiel ein Tran- sistor, wird durch einen Ausgang der jeweiligen Kanalsteuereinrichtung Sx zwischen leitend und sperrend geschaltet. Wann der jeweilige Komparator Nx2 die Leuchtdiode bestromt, kann somit der Schalter kleine Spannungsschritte auf das Signal auferlegen, welche zu kleinen Intensitätsschritten im Licht der Leuchtdiode führen. Die entsprechenden Widerstandschritte im lichtempfindlichen Widerstand an der Empfängerseite kann ein einfacher Spannungsmesser wahrnehmen. Sie lösen jedoch dort nicht eine Nulldurchgangdetektion aus. Diese Schritte kodieren somit die Steuerbefehle der Hauptsteuereinrichtung H und werden durch den Spannungsmesser an die jeweilige Kanalsteuereinrichtung Sx+1 weitergegeben.