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Die Erfindung betrifft ein Betriebsgerät sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Betriebsgeräts. An das Betriebsgerät ist eine Leuchtmittelanordnung mit mehreren Leuchtmittelsträngen anschließbar. Das Betriebsgerät und die daran angeschlossene Leuchtmittelanordnung bilden ein Beleuchtungssystem. Jeder Leuchtmittelstrang kann ein oder mehrere Leuchtmittel aufweisen, die parallel und/oder in Reihe geschaltet sein können. Bei den Leuchtmitteln handelt es sich vorzugsweise um Halbleiterleuchtmittel, insbesondere Leuchtdioden.
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Das Betriebsgerät hat eine gemeinsame Wandlerschaltung zur Bereitstellung eines Ausgangsstromes für die Leuchtmittelanordnung. Über eine Dimmsteuereinrichtung kann abhängig von einem Dimmsignal die Helligkeit der Leuchtmittelanordnung eingestellt werden.
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Ein Betriebsgerät ist beispielsweise aus
DE 10 2015 205 808 A1 bekannt. Dort sind mehrere Leuchtmittelstränge vorhanden, die parallel geschaltet sind. Einer der Leuchtmittelstränge ist ständig elektrisch mit dem Ausgang einer Stromquelle verbunden. Der andere Leuchtmittelstrang kann durch Ein- und Ausschalten eines Schalters anhand eines pulsweitenmodulierten Steuersignals getaktet mit der Stromquelle verbunden bzw. von dieser getrennt werden. Dadurch wird der Ausgangsstrom der Stromquelle auf die beiden Ausgangszweige aufgeteilt, um beim Dimmen die Lichtfarbe konstant zu halten.
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Ein ähnliches Betriebsgerät ist auch in
DE 20 2015 103 127 U1 offenbart. Auch Aus
EP 2 760 254 und
WO 2015/061143 A1 ist es bekannt, einen Ausgangsstrom auf unterschiedliche Ausgangszweige zu verteilen, um die Lichtfarbe zu verändern.
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Das aus
WO 2014/177535 bekannte Betriebsgerät weist zwei Ausgangszweige mit jeweils einem Leuchtmittelstrang auf. Die Helligkeit wird dabei durch ein pulsweitenmoduliertes Signal vorgegeben. Der Einschaltimpuls des pulsweitenmodulierten Signals wird zur Einstellung der Lichtfarbe auf die unterschiedlichen Ausgangszweige bzw. Leuchtmittelstränge aufgeteilt. Dabei können relativ lange Ausschaltphasen entstehen, in denen keines der Leuchtmittel leuchtet, was zu einem Flackern führen kann.
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In
WO 2015/062925 A2 wird vorgeschlagen, für jeden Leuchtmittelstrang eines Betriebsgeräts jeweils eine separate, steuerbare Wandlerschaltung vorzusehen. Dadurch können die einzelnen Leuchtmittelstränge zwar unabhängig voneinander betrieben werden, jedoch sind Aufwand und Kosten für ein solches Betriebsgerät sehr hoch.
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EP 2 291 058 B1 beschreibt ein Verfahren zum Ansteuern eines Betriebsgeräts, wobei eine warmweiße Lampe und eine kaltweiße Lampe über eine Treiberschaltung betrieben werden. Die Treiberschaltung wird durch zwei pulsweitenmodulierte Signale angesteuert. Die beiden Ausgangsstränge sind unabhängig voneinander betreibbar. Auch hierfür ist ein hoher Aufwand für die Treiberschaltung erforderlich, um die angeschlossenen Lampen unabhängig voneinander betreiben zu können.
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US 2015/0035441 A1 offenbart ein Betriebsgerät und ein Verfahren zum Betreiben von Leuchtdioden unterschiedlicher Lichtfarbe. An das Betriebsgerät sind mehrere Reihenschaltungen von Leuchtdioden unterschiedlicher Lichtfarbe angeschlossen. In Reihe zu jeder Leuchtdioden-Reihenschaltung ist ein ansteuerbarer Schalter geschaltet, um einen Zweigstrom durch eine Leuchtdioden-Reihenschaltung ein- bzw. auszuschalten. Mittels einer solchen Anordnung kann die insgesamt erzeugte Lichtfarbe verändert werden, indem die unterschiedlichen Zweige zeitlich nacheinander periodisch ein- und ausgeschaltet werden. Dabei können entweder die Zweigströme für jeden Zweig mit der Leuchtdioden-Reihenschaltung eingeschaltet und die Einschaltdauer der einzelnen Zweige gleich groß gewählt werden. Alternativ kann der für die Zweige bereitgestellte Ausgangsstrom konstant gehalten und die Einschaltdauer der einzelnen Zweige unterschiedlich gewählt werden. Zusätzlich zur Einstellung der Lichtfarbe kann außerdem durch eine Steuerung einer Stromversorgung der den parallel geschalteten Zweigen bereitgestellte Ausgangsstrom variiert werden, um die Gesamthelligkeit anzupassen.
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Ein ähnliches Betriebsgerät ist auch in
WO 2017/042101 A1 offenbart. Bei der Ansteuerung der einzelnen Zweige ist zusätzlich die Möglichkeit vorgesehen, nach jedem Ausschalten eines Zweigstromes und vor dem Einschalten eines anderen Zweigstromes eine Ausschaltphase vorzusehen, in der kein Ausgangsstrom aus einer Stromversorgung in die Zweige fließt. Dadurch soll die Gesamthelligkeit gedimmt werden. Außerdem wird vorgeschlagen, eine Referenzspannung, die die Höhe des durch die Stromversorgung bereitgestellten Ausgangsstromes definiert, zu verändern. Das zeitliche Variieren der Referenzspannung wird dabei zeitlich nach dem Umschalten eines ansteuerbaren Schalters in den leitenden Zustand durchgeführt, um ein Überschwingen des Zweigstromes durch den leitend geschalteten Zweig zu vermeiden.
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DE 198 48 925 A1 offenbart eine Leuchtdiodensteuerung, bei der ein Strom bis zu einem Stromschwellenwert reduziert werden kann, um die Helligkeit der Leuchtdioden zu dimmen. Unterhalb des Stromschwellenwertes findet eine getaktete Ansteuerung der Leuchtdioden statt.
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US 2010/0283322 A1 offenbart eine Stromquelle zum Betreiben von Leuchtdioden, wobei mehrere Zweige mit jeweils einer Reihenschaltung von Leuchtdioden parallel zueinander geschaltet und an die Spannungsversorgung angeschlossen sind. In jedem Zweig ist parallel zu der Reihenschaltung aus Leuchtdioden ein Kondensator geschaltet.
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Ausgehend vom Stand der Technik kann es als Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, ein Betriebsgerät und ein Verfahren zum Betreiben des Betriebsgeräts zu schaffen, dass eine verbesserte Steuerung der Helligkeit und der Lichtfarbe bereitstellt.
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Diese Aufgabe wird durch ein Betriebsgerät mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 10 gelöst.
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An das Betriebsgerät ist eine Leuchtmittelanordnung mit mehreren Leuchtmittelsträngen anschließbar. Jeder Leuchtmittelstrang enthält eine oder mehrere Leuchtmittel. Die Leuchtmittel eines Leuchtmittelstrangs können in Reihe zueinander und/oder parallel zueinander angeordnet sein. Jeder Leuchtmittelstrang ist dazu eingerichtet, eine von den anderen Leuchtmittelsträngen verschiedene Lichtfarbe zu emittieren. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind zwei Leuchtmittelstränge vorhanden. Der eine Leuchtmittelstrang kann beispielsweise warmweißes Licht und der andere Leuchtmittelstrang kann beispielsweise kaltweißes Licht emittieren.
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Das Betriebsgerät hat eine Wandlerschaltung, die vorzugsweise als Stromquelle ausgeführt ist. Die Wandlerschaltung stellt an ihrem Wandlerausgang einen Ausgangsstrom bereit. Bei dem Ausgangsstrom handelt es sich beispielsgemäß um einen Gleichstrom. Abhängig von der konkreten Ausführung der Wandlerschaltung kann der Gleichstrom Stromrippel aufweisen. Wenn vom Betrag des Ausgangsstromes die Rede ist, ist damit der zeitliche Mittelwert gemeint, sofern der Ausgangsstrom Stromrippel enthält.
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An den Wandlerausgang sind zwei Ausgangszweige angeschlossen. An jeden der Ausgangszweige ist ein Leuchtmittelstrang der Leuchtmittelanordnung anschließbar. Eine Schalteinrichtung ist in Reihe zwischen den Ausgangszweigen und dem Wandlerausgang stromaufwärts oder stromabwärts bezogen auf die Fließrichtung des Ausgangsstromes angeordnet. Über die Schalteinrichtung können die Ausgangszweige elektrisch leitend mit dem Wandlerausgang verbunden oder elektrisch gesperrt werden. Bei hergestellter elektrisch leitender Verbindung zum Wandlerausgang fließt ein Zweigstrom in den Ausgangszweig, während bei gesperrtem Ausgangszweig kein geschlossener Stromkreis vorhanden und das Fließen eines Zweigstroms im Ausgangszweig verhindert ist.
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Das Betriebsgerät weist außerdem eine Dimmsteuereinrichtung auf. Die Dimmsteuereinrichtung ist dazu eingerichtet, abhängig von wenigstens einem Dimmsignal, ein Stromeinstellsignal und wenigstens ein Schaltsignal zu ermitteln. Das wenigstens eine Dimmsignal gibt die Gesamthelligkeit der Leuchtmittelanordnung und die Lichtfarbe der Leuchtmittelanordnung vor. Bevorzugt werden der Dimmsteuereinrichtung zwei Dimmsignale für die beiden Parameter bereitgestellt. Das wenigstens eine Dimmsignal kann beispielsweise über eine Bedienschnittstelle durch einen Bediener eingestellt werden. Das Stromeinstellsignal gibt den Betrag des Ausgangsstromes der Wandlerschaltung vor und wird der Wandlerschaltung übermittelt. Beim Stromeinstellsignal kann es sich beispielsweise um ein pulsweitenmoduliertes Signal handeln, das einen oder mehrere Wandlerschalter zur Einstellung des Betrages des Ausgangsstromes ansteuert.
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Das wenigstens eine Schaltsignal wird der Schalteinrichtung übermittelt. Es gibt die Zeitpunkte vor, zu denen ein Ausgangszweig elektrisch leitend mit dem Wandlerausgang verbunden bzw. elektrisch gesperrt wird. Ist die elektrische leitende Verbindung zum Wandlerausgang hergestellt, kann durch den betreffenden Ausgangszweig ein Zweigstrom fließen. Ist die elektrische Verbindung durch die Schalteinrichtung gesperrt bzw. unterbrochen, fließt kein Zweigstrom durch den betreffenden Ausgangszweig. Das wenigstens eine Schaltsignal ist derart vorgegeben, dass zu jedem Zeitpunkt maximal einer der Ausgangszweige elektrisch leitend mit dem Wandlerausgang verbunden ist, so dass maximal ein Zweigstrom durch einen der vorhandenen Ausgangszweige fließt.
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Über den Betrag des Ausgangsstromes ist somit die Stromamplitude eines über die Schalteinrichtung getakteten Zweigstromes vorgegeben. Der Mittelwert jedes Zweigstromes ergibt sich durch das Verhältnis zwischen der Einschaltdauer und der Ausschaltdauer des betreffenden Zweigstromes, also den Zeitdauern, während denen der betreffende Ausgangszweig elektrisch leitend mit dem Wandlerausgang verbunden ist (Einschaltdauer) und den Zeitdauern, während denen der betreffende Ausgangszweig elektrisch gesperrt ist (Ausschaltdauer). Beispielsweise kann der Mittelwert jedes Zweigstromes pulsweitenmoduliert durch entsprechendes Umschalten der Schalteinrichtung eingestellt werden.
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Dadurch, dass zu jedem Zeitpunkt die Stromamplitude des Zweigstromes bekannt ist und dem Ausgangsstrombetrag des Ausgangsstromes entspricht, kann die Lichtfarbe der Leuchtmittelanordnung durch das wenigstens eine Schaltsignal sehr genau eingestellt werden. Der durch einen Ausgangszweig fließende Zweigstrom beeinflusst die Stromamplitude anderer Zweigströme nicht. Zu jedem Zeitpunkt ist der Zweigstrom durch zumindest einen Ausgangszweig gleich Null.
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Die Dimmsteuereinrichtung ist dazu eingerichtet, das Stromeinstellsignal derart zu ermitteln, dass der Betrag des Ausgangsstromes zumindest einem Minimalstrom entspricht. Es ist auch möglich, dass die Wandlerschaltung derart ausgeführt ist, dass unabhängig vom Stromeinstellsignal zumindest immer ein Minimalstrom am Wandlerausgang bereitgestellt wird. Die Gesamthelligkeit der Leuchtmittelanordnung kann über den Ausgangsstrom daher in einem Bereich zwischen dem Minimalstrom und einem Maximalstrom des Ausgangsstromes eingestellt werden.
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Das Betriebsgerät ist auch dazu eingerichtet, von einem lückfreien Betrieb, bei dem der Ausgangsstrom unterbrechungsfrei fließt zu einem lückenden Betrieb, bei dem der Ausgangsstrom während sich wiederholender Ausschaltphasen unterbrochen ist, umzuschalten, wobei von dem lückfreien auf den lückenden Betrieb umgeschaltet wird, wenn das wenigstens eine Dimmsignal eine Gesamthelligkeit anfordert, die kleiner ist als eine Mindesthelligkeit.
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Die Dimmsteuereinrichtung ist außerdem dazu eingerichtet, das wenigstens eine Schaltsignal im lückfreien Betrieb derart zu ermitteln, dass zu jedem Zeitpunkt einer der Ausgangszweige elektrisch mit dem Wandlerausgang verbunden ist, wenn die durch das wenigstens eine Dimmsignal angeforderte Gesamthelligkeit einer Mindesthelligkeit entspricht oder diese übersteigt. Ist die geforderte Gesamthelligkeit zumindest so groß wie die Mindesthelligkeit, kann die Gesamthelligkeit der Leuchtmittelanordnung durch einen unterbrechungsfrei fließenden Ausgangsstrom erreicht werden, der zumindest dem Minimalwert entspricht. Das Betriebsgerät wird lückfrei betrieben werden. Der Ausgangsstrom der Wandlerschaltung fließt zu jedem Zeitpunkt durch einen der Ausgangszweige. Der Betrag des unterbrechungsfrei fließenden Ausgangsstroms kann zur Einstellung der Gesamthelligkeit zwischen dem Mindestwert und dem Maximalwert verändert werden.
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Die Dimmsteuereinrichtung ist zudem dazu eingerichtet, das Stromeinstellsignal im lückenden Betrieb derart zu ermitteln, dass der Betrag des Ausgangsstromes dem Minimalstrom entspricht und das wenigstens eine Schaltsignal derart zu ermitteln, dass während wenigstens einer Ausschaltphase alle Ausgangszweige elektrisch gesperrt sind, wenn die durch das wenigstens eine Dimmsignal angeforderte Gesamthelligkeit kleiner ist als eine Mindesthelligkeit. In diesem Fall kann ein hohes Dimmniveau nicht mehr ausschließlich durch das Reduzieren des Betrages des Ausgangsstromes erreicht werden, da dieser bereits seinen Minimalwert erreicht hat. Eine weitere Helligkeitsreduzierung wird durch den lückenden Betrieb erreicht, bei dem der Ausgangsstrom während wenigstens einer Ausschaltphase unterbrochen wird. Während der Ausschaltphase sind sämtliche Ausgangszweige elektrisch gesperrt. Während der Ausschaltphase kann die Wandlerschaltung ausgeschaltet bzw. in einem inaktiven Zustand sein, insbesondere wird ein Wandlerschalter nicht geschaltet.
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Während des lückenden Betriebs wird der Ausgangsstrom periodisch ein- und ausgeschaltet, nach Art einer Pulsweitenmodulation. Dazu ist das wenigstens eine Schaltsignal periodisch und erzeugt in jeder Periode wenigstens eine Ausschaltphase des Ausgangsstromes.
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Das wenigstens eine Schaltsignal ist periodisch und hat in jeder Periode mehrere Ausschaltphasen, wenn die durch das wenigstens eine Dimmsignal angeforderte Gesamthelligkeit kleiner ist als eine Mindesthelligkeit und die Summe aller Ausschaltphasen einen Zeitdauerschwellenwert übersteigt. Dadurch lässt sich die während einer Periode erforderliche gesamte Ausschaltzeitdauer des Ausgangsstromes auf mehrere Ausschaltphasen verteilen. Dadurch wird das Flackern der Leuchtmittelanordnung reduziert. Nach jeder Ausschaltphase innerhalb derselben Periode wird ein anderer der vorhandenen Ausgangszweige elektrisch mit dem Wandlerausgang verbunden. Während einer Periode fließt somit abwechselnd durch jeden der vorhandenen Ausgangszweige ein Zweigstrom entsprechend dem Betrag des Ausgangsstromes, wobei die Ausschaltphase zwischen dem Umschalten von einem Zweigstrom auf den anderen Zweigstrom vorgesehen ist.
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Die Dimmsteuereinrichtung kann außerdem dazu eingerichtet sein, das wenigstens eine Schaltsignal derart zu ermitteln, dass jeder der Ausgangszweige mittels der Schalteinrichtung abwechselnd elektrisch mit dem Wandlerausgang verbunden und vom Wandlerausgang getrennt wird. Der durch den betreffenden Ausgangszweig fließende Zweigstrom ist daher ein getakteter Strom, der eine Stromamplitude aufweist, die dem Betrag des Ausgangsstromes entspricht. Die Stromamplituden der Zweigströme sind bevorzugt gleich groß. Jeder Zweigstrom kann beispielsweise ein pulsweitenmodulierter Zweigstrom sein.
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Es ist außerdem bevorzugt, wenn die Dimmsteuereinrichtung für jeden Ausgangszweig ein separates Dimmsignal erhält. Das Dimmsignal gibt für jeden Ausgangszweig bzw. jeden Leuchtmittelstrang die Helligkeit an. Die Summe aller Dimmsignale gibt daher die Gesamthelligkeit der Leuchtmittelanordnung vor. Das Verhältnis der Dimmsignale zueinander gibt die Lichtfarbe der Leuchtmittelanordnung an.
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Es ist bevorzugt, wenn in der Dimmsteuereinrichtung jeweils eine Charakteristik, beispielsweise wenigstens eine Gleichung oder wenigstens eine Kennlinie, für jedes Dimmsignal vorhanden ist. Die Charakteristik ordnet jedem Dimmwert des Dimmsignals ein Wertepaar aus der Stromamplitude bzw. dem Betrag des Ausgangsstromes und einen Tastgrad bzw. eine Einschaltdauer für den Zweigstrom zu. Die Charakteristik kann beispielsweise für jeden Dimmwert des Dimmsignals eine Gleichung oder Kennlinie für den Helligkeitswert des Dimmwerts enthalten, die den Zusammenhang zwischen dem Tastgrad bzw. der Einschaltdauer für den Zweigstrom und der Stromamplitude des Zweigstromes beschreibt. Der Charakteristik, die den Zusammenhang zwischen der Stromamplitude bzw. dem Betrag des Ausgangsstromes und dem Tastgrad bzw. der Einschaltdauer für den Zweigstrom angibt, kann beispielsweise angenähert als hyperbelförmig angenommen werden.
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Es ist außerdem vorteilhaft, wenn jeder Ausgangszweig einen Zweigkondensator aufweist, der parallel zum jeweiligen Leuchtmittelstrang geschaltet ist, um Stromrippel des wenigstens einen Leuchtmittels im Leuchtmittelstrang zu reduzieren. In Reihe zu jedem Zweigkondensator ist dann bevorzugt eine Zweigdiode geschaltet, um eine Fließrichtung des Zweigstromes vorzugeben. Die Zweigdiode ist insbesondere in Stromflussrichtung stromaufwärts vom Zweigkondensator und dem Leuchtmittelstrang angeordnet. Dadurch wird ein Stromfluss von einem Ausgangszweig in einen benachbarten Ausgangszweig verhindert.
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Es ist außerdem bevorzugt, wenn die Schalteinrichtung für jeden der vorhandenen Ausgangszweige jeweils einen ansteuerbaren Schalter aufweist. Die Dimmsteuereinrichtung stellt für jeden ansteuerbaren Schalter ein separates Schaltsignal bereit. Jeweils ein ansteuerbarer Schalter ist dabei vorzugsweise in Reihe zum zugeordneten Ausgangszweig geschaltet.
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Ein Betriebsgerät bzw. ein Beleuchtungssystem mit einer dimmbaren Leuchtmittelanordnung kann daher wie folgt betrieben werden:
- An der Wandlerschaltung bzw. der Stromquelle wird ein Ausgangsstrom bereitgestellt. Die Dimmsteuereinrichtung erhält wenigstens ein und vorzugsweise zwei Dimmsignale. Durch das wenigstens eine Dimmsignal wird die Gesamthelligkeit und die Lichtfarbe der Leuchtmittelanordnung vorgegeben. Die Dimmsteuereinrichtung ermittelt ein Stromeinstellsignal und wenigstens ein Schaltsignal, vorzugsweise jeweils ein Schaltsignal für jeden vorhandenen Ausgangszweig. Das Stromeinstellsignal wird der Wandlerschaltung bzw. Stromquelle übermittelt und gibt den Betrag des Ausgangsstromes vor. Das wenigstens eine Schaltsignal wird der Schalteinrichtung übermittelt und gibt die Zeitpunkte des Umschaltens der Schalteinrichtung vor. Das wenigstens eine Schaltsignal gibt daher vor, zu welchen Zeitpunkten ein Zweigstrom durch einen Ausgangszweig ein- oder ausgeschaltet wird. Das wenigstens eine Schaltsignal ist dabei derart vorgegeben, dass zu jedem Zeitpunkt maximal durch einen der Ausgangszweige ein Zweigstrom fließt. Es ist außerdem bevorzugt, wenn zu jedem Zeitpunkt genau ein Zweigstrom durch einen Ausgangszweig fließt. Es kann allerdings Ausschaltphasen geben, zu denen sämtliche Ausgangszweige elektrisch unterbrochen sind, so dass kein Zweigstrom und mithin kein Ausgangsstrom fließt. Die Einschaltphasen und die Ausschaltphasen des Ausgangsstromes können sich periodisch wiederholen. Die Gesamtdauer der Ausschaltphasen innerhalb einer Periode ist vorzugsweise kleiner als die Gesamtzeitdauer, während der der Ausgangsstrom fließt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Betriebsgeräts,
- 2 eine vereinfachte, schematische Darstellung eines Ausgangsstromes, eines ersten Zweigstromes und eines zweiten Zweigstromes bei einem lückfreien Betrieb des Betriebsgeräts,
- 3 eine vereinfachte, schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Ausgangsstromes, eines ersten Zweigstromes und eines zweiten Zweigstromes bei einem lückenden Betrieb des Betriebsgeräts,
- 4 beispielhafte Kurven zur Ermittlung von Betriebsparametern des Betriebsgeräts für den lückfreien Betrieb und
- 5 eine beispielhafte Kurven zur Ermittlung von Betriebsparametern des Betriebsgeräts für einen lückenden Betrieb.
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1 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Betriebsgeräts 10. Zu dem Betriebsgerät 10 gehört eine Betriebsschaltung 11 und eine an die Betriebsschaltung 11 angeschlossene Leuchtmittelanordnung 12. Die Leuchtmittelanordnung 12 hat mehrere Leuchtmittelstränge und beispielsgemäß einen ersten Leuchtmittelstrang 12a und einen zweiten Leuchtmittelstrang 12b. Die Leuchtmittelstränge 12a, 12b emittieren Licht mit unterschiedlichen Lichtfarben. Beim Ausführungsbeispiel kann der erste Leuchtmittelstrang 12a weißes Licht mit einer größeren Farbtemperatur emittieren als der zweite Leuchtmittelstrang 12b. Der erste Leuchtmittelstrang 12a kann beispielsweise kaltweißes Licht mit einer Farbtemperatur größer als 5000 bis 6000 K und der zweiten Leuchtmittelstrang 12b warmweißes Licht mit einer Farbtemperatur kleiner als 3000 bis 4000K emittieren.
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Jeder Leuchtmittelstrang 12a, 12b hat beispielsgemäß wenigstens ein Leuchtmittel, wobei auch mehrere Leuchtmittel in Reihe und/oder parallel zueinander geschaltet sein können. Bei den Leuchtmitteln kann es sich um Halbleiterleuchtmittel, wie etwa Leuchtdioden handeln.
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Die Betriebsschaltung 11 weist eine Wandlerschaltung 15 auf, die an einem Wandlerausgang 16 einen Ausgangsstrom IA für die Leuchtmittelanordnung 12 bereitstellt. Der Wandlerausgang 16 hat einen ersten Ausgangsanschluss 16a und einen zweiten Ausgangsanschluss 16b. Zwischen den beiden Ausgangsanschlüssen 16a und 16b sind mehrere Ausgangszweige und beispielsgemäß ein erster Ausgangszweig 17 und ein zweiter Ausgangszweig 18 parallel zueinander geschaltet. Der erste Ausgangszweig 17 weist den ersten Leuchtmittelstrang 12a und der zweite Ausgangszweig 18 weist den zweiten Leuchtmittelstrang 12b auf.
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Die beiden Ausgangszweige 17, 18 sind im Wesentlichen identisch aufgebaut. Jeder Ausgangszweig 17, 18 hat eine Zweigdiode 19, deren Anode mit dem ersten Ausgangsanschluss 16a verbunden ist. Der Kathodenanschluss der Zweigdiode 19 ist mit einem Zweigkondensator 20 verbunden. Parallel zu dem Zweigkondensator 20 ist der jeweils zugeordneten Leuchtmittelstrang 12a, 12b geschaltet.
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Zwischen den Ausgangszweigen 17, 18 und dem zweiten Ausgangsanschluss 16b ist eine Schalteinrichtung 21 geschaltet, die beim Ausführungsbeispiel für jeden der Ausgangszweige 17, 18 einen separaten ansteuerbaren Schalter 22 aufweist. Ist der Schalter 22 elektrisch leitend, kann durch den zugeordneten ersten Ausgangszweig 17 bzw. zweiten Ausgangszweig 18 ein jeweiliger erster Zweigstrom I1 bzw. zweiter Zweigstrom I2 fließen. Ist der Schalter 22 sperrend, wird das Fließen eines Zweigstromes I1, I2 unterbunden. Der Schalter 22 des ersten Ausgangszweiges 17 wird durch ein erstes Schaltsignal S1 und der Schalter 22 des zweiten Ausgangszweiges 18 durch ein zweites Schaltsignal S2 angesteuert.
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Die Wandlerschaltung 15 ist vorzugsweise als Stromquelle ausgeführt. Der Ausgangsstrom IA ist beispielsgemäß ein Gleichstrom. Abhängig von der Ausführung der Wandlerschaltung 15 kann der Gleichstrom Stromrippel aufweisen. Der Ausgangsstrom IA hat einen Betrag A. Als Betrag A des Ausgangsstromes IA ist der Mittelwert über der Zeit zu verstehen. Der Betrag A des Ausgangsstromes IA wird durch ein Stromeinstellsignal E vorgegeben.
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Die Betriebsschaltung 11 hat außerdem eine Dimmsteuereinrichtung 26. Die Dimmsteuereinrichtung 26 erhält wenigstens ein Dimmsignal und vorzugsweise jeweils ein Dimmsignal für jeden vorhandenen Ausgangszweig. Beispielsgemäß wird der Dimmsteuereinrichtung 26 daher ein erstes Dimmsignal D1 für den ersten Ausgangszweig 17 und ein zweites Dimmsignal D2 für den zweiten Ausgangszweig 18 übermittelt. Das Dimmsignal D1, D2 gibt jeweils den Helligkeitswert für den Leuchtmittelstrang 12a bzw. 12b des Ausgangszweiges 17 bzw. 18 vor. Die Gesamthelligkeit der Leuchtmittelanordnung 12 ist daher durch die beiden Dimmsignale D1, D2 und beispielsweise die Summe der Dimmsignale D1, D2 vorgegeben. Das Verhältnis der Helligkeiten der einzelnen Leuchtmittelstränge 12a, 12b, das durch das Verhältnis zwischen den Dimmsignalen D1, D2 vorgegeben ist, definiert die Lichtfarbe der Leuchtmittelanordnung 12. Die Lichtfarbe der Leuchtmittelanordnung 12 kann zwischen der Lichtfarbe des ersten Leuchtmittelstrangs 12a und der Lichtfarbe des zweiten Leuchtmittelstrangs 12b variiert werden.
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Die Dimmsteuereinrichtung 26 ist dazu eingerichtet, abhängig von den Dimmsignalen D1, D2 das Stromeinstellsignal E und die Schaltsignale S1, S2 zu ermitteln. Bei dem hier veranschaulichten Ausführungsbeispiel erzeugt die Dimmsteuereinrichtung 26 außerdem ein Einschaltsignal P, mittels dem die Wandlerschaltung 15 eingeschaltet oder ausgeschaltet werden kann.
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Der Wandlerschaltung 15 wird eingangsseitig eine Zwischenkreisspannung UZ bereitgestellt. Die Zwischenkreisspannung UZ kann über einen Zwischenkreiskondensator 27 gepuffert werden. Die Zwischenkreisspannung UZ kann durch eine weitere Wandlerschaltung, beispielsweise einen PFC-Schaltkreis 28 bereitgestellt werden. Der PFC-Schaltkreis 28 ist außerdem dazu eingerichtet, eine Leistungsfaktorkorrektur auszuführen („PFC“ steht dabei für „Power Factor Correction“). Der PFC-Schaltkreis 28 kann an eine Wechselspannungsquelle 29, beispielsweise an das Wechselspannungsnetz angeschlossen sein.
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Das Betriebsgerät 10 bzw. die Betriebsschaltung 11 kann mittels der Dimmsteuereinrichtung 26 in einem lückfreien Betrieb oder in einem lückenden Betrieb betrieben werden. Der lückfreie Betrieb liegt vor, wenn der Ausgangsstrom IA unterbrechungsfrei durch einen der Ausgangszweige 17, 18 fließen kann. Der lückende Betrieb liegt vor, wenn während einer Ausschaltphase sämtliche Ausgangszweige 17, 18 durch die betreffenden Schalter 22 elektrisch gesperrt sind, so dass kein Zweigstrom I1, I2 und mithin kein Ausgangsstrom IA fließen kann.
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Beispielsgemäß ist die Dimmsteuereinrichtung 26 dazu eingerichtet, die Betriebsschaltung 11 bzw. das Betriebsgerät 10 im lückfreien Betrieb zu betreiben, wenn die durch die Dimmsignale D1, D2 vorgegebene Gesamthelligkeit zumindest einer Mindesthelligkeit entspricht oder größer ist. Ist die durch die Dimmsignale D1, D2 angeforderte Gesamthelligkeit der Leuchtmittelanordnung 12 kleiner als die Mindesthelligkeit, wird das Betriebsgerät 10 bzw. die Betriebsschaltung 11 im lückenden Betrieb betrieben.
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Sowohl im lückfreien, als auch im lückenden Betrieb ist jeweils maximal einer der Ausgangszweige 17, 18 elektrisch leitend. Es fließt demnach zu jedem Zeitpunkt nur ein Zweigstrom, beispielsgemäß der erste Zweigstrom I1 durch den ersten Ausgangszweig 17 oder der zweite Zweigstrom I2 durch den zweiten Ausgangszweig 18. Die Schaltsignale S1, S2 für die Schalter 22 der Schalteinrichtung 21 werden durch die Dimmsteuereinrichtung 26 entsprechend vorgegeben.
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In 2 ist beispielhaft und lediglich schematisch der Stromverlauf für den Ausgangsstrom IA, den ersten Zweigstrom I1 und den zweiten Zweigstrom I2 abhängig von der Zeit angegeben. Da zu jedem Zeitpunkt nur einer der Ausgangszweige 17 bzw. 18 elektrisch leitend ist, fließt der Ausgangsstrom IA entweder als erster Zweigstrom I1 durch den ersten Ausgangszweig 17 oder als zweiter Zweigstrom I2 durch den zweiten Ausgangszweig 18.
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Durch die Dimmsteuereinrichtung 26 wird anhand des Stromeinstellsignals E der Betrag A des Ausgangsstromes IA vorgegeben. Durch die Wahl der Zeitpunkte des Umschaltens der ansteuerbaren Schalter 22 der Schalteinrichtung 21, wird zu einem ersten Zeitpunkt t0 der Schalter 22 des ersten Ausgangszweiges 17 in seinen sperrenden Zustand und der Schalter 22 des zweiten Ausgangszweiges 18 in seinen leitenden Zustand umgeschaltet. Zu einem zweiten Zeitpunkt t1 wird umgekehrt der Schalter 22 des ersten Ausgangszweiges 17 leitend und der Schalter 22 des zweiten Ausgangszweiges 18 sperrend. Dieses Umschalten wiederholt sich periodisch. Die Periodendauer einer Periode ist mit T bezeichnet. Eine erste Einschaltdauer T1 ist die Zeitdauer während einer Periodendauer T, in der der erste Zweigstrom I1 fließt und eine zweite Einschaltdauer T2 ist die Zeitdauer während einer Periode T, in der der zweite Zweigstrom I2 fließt. Die Summe der ersten Einschaltdauer T1 und der zweiten Einschaltdauer T2 entspricht im lückfreien Betrieb der Periodendauer T (2).
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Zur Einstellung der Gesamthelligkeit sowie der Lichtfarbe verbleiben zwei Freiheitsgrade: zum einen kann über das Stromeinstellsignal E der Betrag A des Ausgangsstromes IA eingestellt werden und zum anderen kann das Verhältnis der ersten Einschaltdauer T1 und der zweiten Einschaltdauer T2 zur Einstellung der Lichtfarbe verändert werden. In 4 ist für den lückfreien Betrieb beispielhaft die Ermittlung des Betrages A für den Ausgangsstrom sowie der ersten Einschaltdauer T1 und der zweiten Einschaltdauer T2 veranschaulicht.
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In der Dimmsteuereinrichtung 26 ist für jedes Dimmsignal und beispielsgemäß für das erste Dimmsignal D1 und für das zweite Dimmsignal D2 eine Charakteristik vorgegeben, beispielsweise wenigstens eine Gleichung, die für jeden Dimmwert der Dimmsignale D1, D2 den Betriebszustand der Leuchtmittelstränge 12a, 12b angibt, insbesondere die jeweilige Einschaltdauer T1, T2 und die jeweilige Stromamplitude B1, B2. In 4 sind beispielhaft eine erste Kurve K1 für einen bestimmten Wert des ersten Dimmsignals D1 und eine zweite Kurve K2 für einen bestimmten Wert des zweiten Dimmsignals D2 veranschaulicht. Jeder Punkt auf der ersten Kurve K1 entspricht dem aktuellen Wert für das erste Dimmsignal D1 und mithin einer bestimmten vorgegebenen Helligkeit des ersten Leuchtmittelstrangs 12a. Jeder Punkt auf der ersten Kurve K1 entspricht einem Wertepaar aus einer ersten Einschaltdauer T1 und einer ersten Stromamplitude B1 für den ersten Zweigstrom I1. Gleichermaßen entspricht jeder Punkt auf der zweiten Kurve K2 dem aktuellen Wert für das zweite Dimmsignal D2 und mithin der angeforderten Helligkeit des zweiten Leuchtmittelstranges 12b. Jeder Punkt auf der zweiten Kurve K2 entspricht einem Wertepaar aus einer zweiten Einschaltdauer T2 und einer zweiten Stromamplitude B2 für den zweiten Zweigstrom 12.
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Die Kurven K1, K2 sind beispielsgemäß hyperbelförmig und zueinander an einer Parallelen zur y-Achse (hier: Achse für den Betrag des Stromes) gespiegelt. Die beiden Kurven K1, K2 haben einen Schnittpunkt. Dieser Schnittpunkt entspricht dem Betriebszustand der Betriebsschaltung 11, bei dem die erste Stromamplitude B1 des ersten Zweigstromes I1 und die zweite Stromamplitude B2 des zweiten Zweigstromes I2 gleich groß sind und jeweils dem Betrag A des Ausgangsstromes IA entsprechen. Der Schnittpunkt gibt im lückfreien Betrieb außerdem die erste Einschaltdauer T1 und die zweite Einschaltdauer T2 innerhalb der Periodendauer T an. Wird die Betriebsschaltung 11 in diesem Arbeitspunkt betrieben, wird der Ausgangsstrom IA während einer Periodendauer T während der ersten Einschaltdauer T1 als erster Zweigstrom I1 durch den ersten Ausgangszweig 17 und anschließend während der zweiten Einschaltdauer T2 als zweiter Zweigstrom I2 durch den zweiten Ausgangszweig 18 geleitet.
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Wie bereits erläutert, ist der lückfreie Betrieb beispielhaft in 2 dargestellt. Der erste Zweigstrom I1 und der zweite Zweigstrom I2 haben einen getakteten bzw. gepulsten Verlauf und sind jeweils pulsweitenmoduliert. Die Stromamplitude B1, B2 ist als der Stromwert definiert, der während der betreffenden Einschaltdauer T1 bzw. T2 fließt. Da zu keinem Zeitpunkt beide Ausgangszweige 17, 18 leitend sind, sind die Stromamplituden B1, B2 für die beiden Zweigströme I1, I2 gleich groß und entsprechend den Betrag A des Ausgangsstromes IA.
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Das Variieren der Gesamthelligkeit der Leuchtmittelanordnung 12 durch Verändern des Betrages A ist beschränkt. Der Betrag des Ausgangsstromes IA, den die Wandlerschaltung 15 bereitstellen kann, ist zumindest so groß wie der Mindestwert Imin. Entspricht der Betrag A des Ausgangsstromes IA dem Mindestwert Imin, entspricht die Gesamthelligkeit der Leuchtmittelanordnung 12 der Mindesthelligkeit im lückfreien Betrieb.
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Wird durch die Dimmsignale D1, D2 eine Gesamthelligkeit angefordert, die kleiner ist als die Mindesthelligkeit, wird die Betriebsschaltung 11 im lückenden Betrieb betrieben (3 und 5). Wie es in 3 zu erkennen ist, kann der Ausgangsstrom IA nicht mehr unterbrechungsfrei fließen. Während einer oder mehrerer Ausschaltphasen tx1, tx2 in jeder Periodendauer T ist der Stromfluss des Ausgangsstromes IA unterbrochen, um die Gesamthelligkeit der Leuchtmittelanordnung 12 weiter zu reduzieren.
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Die Ermittlung der Parameter für das Stromeinstellsignal E und die Schaltsignale S1, S2 sind in 5 veranschaulicht. Wie zu erkennen ist, liegt der Schnittpunkt der beiden Kurven K1 und K2 in einem Bereich unterhalb des Mindestwertes Imin für den Ausgangsstrom IA. Daher wird als Betrag A für den Ausgangsstrom IA und mithin als Stromamplitude B1, B2 für die Zweigströme I1, I2 der Mindestwert Imin eingestellt. Daraus ergibt sich die erste Einschaltdauer T1 für den ersten Zweigstrom I1 und die zweite Einschaltdauer T2 für den zweiten Zweigstrom 12. Es ist zu erkennen, dass die Summe der Einschaltdauern T1, T2 kleiner ist als die Periodendauer T. Die Differenz der Periodendauer T minus der Einschaltdauern T1, T2 ergibt die gesamte Ausschaltzeitdauer txg. Während jeder Periode fließt insgesamt während einer Zeit, die der gesamten Ausschaltzeitdauer txg entspricht, kein Ausgangsstrom IA.
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Wenn die gesamte Ausschaltzeitdauer txg klein ist und beispielsweise kleiner als ein Zeitdauerschwellenwert, kann während einer Periode zu einem ersten Zeitpunkt t0 nach Ablauf der ersten Einschaltdauer T1 der erste Zweigstrom I1 abgeschaltet werden. Ab diesem ersten Zeitpunkt t0 kann dann der Stromfluss des Ausgangsstromes IA für die gesamte Ausschaltzeitdauer txg unterbrochen und anschließend zu einem zweiten Zeitpunkt t1 der zweite Zweigstrom I2 während der zweiten Einschaltdauer T2 eingeschaltet werden. Dadurch können Schaltverluste minimiert werden.
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Überschreitet die gesamte Ausschaltzeitdauer txg allerdings einen Zeitdauerschwellenwert, kann es zu einem Flackern der Leuchtmittelanordnung 12 kommen. Es ist dann vorteilhaft, die gesamte Ausschaltzeitdauer txg während einer Periodendauer T auf mehrere Ausschaltphasen aufzuteilen. Bei dem in 3 veranschaulichten Ausführungsbeispiel wird die gesamte Ausschaltzeitdauer txg auf zwei Ausschaltphasen tx1 und tx2 aufgeteilt. Während einer Periode finden folgende Schaltvorgänge statt: zum ersten Zeitpunkt t0 wird der erste Zweigstrom I1 abgeschaltet. Anschließend wird der Stromfluss des Ausgangsstromes IA während einer ersten Ausschaltphase tx1 unterbrochen und zu einem zweiten Zeitpunkt t1 wird der zweite Zweigstrom I2 eingeschaltet. Zu einem dritten Zeitpunkt t2 wird dann der zweite Zweigstrom I2 ausgeschaltet und der Stromfluss während einer zweiten Ausschaltphase tx2 bis zu einem vierten Zeitpunkt t3 unterbrochen, an dem der erste Zweigstrom I1 eingeschaltet wird. Zu einem fünften Zeitpunkt t4 wird der erste Zweigstrom I1 ausgeschaltet und die Periode ist beendet. Der erste Zweigstrom I1 wird zu Beginn einer nachfolgenden Periode wieder ausgeschaltet.
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Die beiden Ausschaltphasen tx1, tx2 trennen jeweils die erste Einschaltdauer T1 und die zweite Einschaltdauer T2 voneinander. Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Ausschaltphasen tx1, tx2 gleich groß. Sie können in Abwandlung hierzu auch unterschiedlich groß sein. Durch das Verkürzen der Ausschaltphasen tx1, tx2 gegenüber der gesamten Ausschaltzeitdauer txg, kann das Flackern reduziert werden.
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Wie es anhand der 2-5 zu erkennen ist, ist bei sämtlichen Betriebsweisen zu jedem Zeitpunkt jeweils nur ein Ausgangszweig 17, 18 elektrisch leitend mit dem Wandlerausgang 16 verbunden. Es kann zu jedem Zeitpunkt daher nur einer der Zweigströme I1 oder I2 fließen. Aus diesem Grund entspricht die Stromamplitude B1, B2 jedes Zweigstromes I1, I2 dem Betrag A des Ausgangsstromes IA. Dadurch wird die Stromamplitude eines Zweigstromes nicht durch das Ein- oder Ausschalten eines anderen Ausgangszweiges beeinflusst.
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Die Erfindung betrifft ein Betriebsgerät 10 mit einer Betriebsschaltung 11 und einer Leuchtmittelanordnung 12. Die Leuchtmittelanordnung 12 hat mehrere Leuchtmittelstränge 12a, 12b, die Licht mit unterschiedlicher Lichtfarbe emittieren, beispielsweise warmweißes Licht und kaltweißes Licht. Der erste Ausgangszweig 17 mit dem ersten Leuchtmittelstrang 12a und der zweite Ausgangszweig 18 mit dem zweiten Leuchtmittelstrang 12b sind parallel zueinander geschaltet und an einen Wandlerausgang 16 einer Wandlerschaltung 15 angeschlossen. Die Wandlerschaltung 15 stellt am Wandlerausgang 16 einen Ausgangsstrom IA bereit. In Reihe zu den Ausgangszweigen 17, 18 ist eine Schalteinrichtung 21 geschaltet. Die Schalteinrichtung 21 wird derart angesteuert, dass zu jedem Zeitpunkt maximal einer der beiden Ausgangszweige 17, 18 elektrisch leitend mit dem Wandlerausgang 16 verbunden ist, so dass nicht mehrere Zweigströme I1, I2 gleichzeitig fließen können. Eine Dimmsteuereinrichtung 26 steuert die Wandlerschaltung 15 zur Einstellung eines Betrages A des Ausgangsstromes IA an und steuert die Schalteinrichtung 21 an. Dadurch lässt sich die Gesamthelligkeit der Leuchtmittelanordnung 12 und die Lichtfarbe in weiten Bereichen flackerfrei einstellen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Betriebsgerät
- 11
- Betriebsschaltung
- 12
- Leuchtmittalanordnung
- 12a
- erster Leuchtmittelstrang
- 12b
- zweiter Leuchtmittelstrang
- 15
- Wandlerschaltung
- 16
- Wandlerausgang
- 16a
- erster Ausgangsanschluss
- 16b
- zweiter Ausgangsanschluss
- 17
- erster Ausgangszweig
- 18
- zweiter Ausgangszweig
- 19
- Zweigdiode
- 20
- Zweigkondensator
- 21
- Schalteinrichtung
- 22
- Schalter
- 26
- Dimmsteuereinrichtung
- 27
- Zwischenkreiskondensator
- 28
- PFC-Schaltkreis
- 29
- Wechselspannungsquelle
- A
- Betrag des Ausgangsstromes
- B1
- Stromamplitude des ersten Zweigstroms
- B2
- Stromamplitude des zweiten Zweigstroms
- D1
- erstes Dimmsignal
- D2
- zweites Dimmsignal
- E
- Stromeinstellsignal
- I1
- erster Zweigstrom
- I1
- zweiter Zweigstrom
- IA
- Ausgangsstrom
- K1
- erste Kurve
- K2
- zweite Kurve
- P
- Einschaltsignal
- S1
- erstes Schaltsignal
- S2
- zweites Schaltsignal
- t
- Zeit
- T
- Periodendauer
- t0
- erster Zeitpunkt
- t1
- zweiter Zeitpunkt
- t2
- dritter Zeitpunkt
- t3
- vierter Zeitpunkt
- t4
- fünfter Zeitpunkt
- txg
- gesamte Ausschaltzeitdauer
- tx1
- erste Ausschaltphase
- tx2
- zweite Ausschaltphase
- UZ
- Zwischenkreisspannung
