DE4214882A1 - Halbwellenaustastvorrichtung fuer elektrische gluehlampen und andere wechselstrombetriebene verbraucher - Google Patents
Halbwellenaustastvorrichtung fuer elektrische gluehlampen und andere wechselstrombetriebene verbraucherInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Austastvorrichtung zur
periodischen Unterdrückung von im wesentlichen ganzen Halbwellen
zügen eines Wechselstromes nach Anspruch 1, wobei die nicht-unter
drückten Wellenzüge weitgehend vollständig belassen sind, so daß
dadurch die durchschnittliche Gesamtleistungsaufnahme eines mit
einem Wechselstrom gespeisten Verbrauchers herabgesetzt wird. Die
beschriebene Vorrichtung vermag insbesondere auch die Wolfram-Ver
dampfungsrate von Glühlampen zu reduzieren und kann deshalb sehr
wirkungsvoll und in gewünschter Weise zur Verbesserung des Produk
tes: ENERGIEERSPARNIS×LEBENSDAUER×ERKENNBARKEIT bei Leucht-
und Hindernisfeuern und Verkehrssignallampen herangezogen werden.
Für die Erzielung extremer Lebensdauern muß dabei zusätzlich die
mittlere Lampenspannung, insbesondere im Hochvoltbetrieb (220 V)
nach Anspruch 11, zur Vermeidung von Elektromigration am Wolfram-
Wendel möglichst entsprechend Anspruch 2 gleichspannungsfrei
bleiben. Unter Elektrcmigration wird hier die Wanderung der Wol
framatome des heißen Glühfadens im elektrischen Feld verstanden,
welche wegen der Anisotropie der Kristallachsen im Wolframgitter
und der sich dadurch bildenden sägezahnartigen Materialeinschnü
rungen bzw. "Gleichstromätzungen" zu lebensdauervermindernden
Querschnittsverjüngungen und damit zu Bereichen erhöhter Tempera
tur und Feldstärke führen, welche einen frühzeitigen Bruch des
Glühfadens herbeizuführen vermögen. Wegen weiterer Einzelheiten
sei dazu auf Journal of Applied Physics "Electrotransport of
Tungsten and Life of a Filament" Vol. 39/13, Dez. ′68, verwiesen.
Bekannt sind Vorschaltgeräte zur Verringerung von Elektromigration
bei gleichstrombetriebenen Glühlampen aus der Patentanmeldung DE
39 20 847 und Verfahren zur schonenden und mikrorißfreien Verarbei
tung von Wolfram-Wendeln nach DE 20 02 087. Stand der Technik sind
auch jede Halbwelle gleich beeinflussende Helligkeitssteuerungen,
die jedoch eine Farbtemperatursenkung nicht in eine Kontrasterhöh
ung umzusetzen vermögen, und zumeist auch nicht genügend Lampen
schonend sind.
Die gewünschte Gleichspannungsfreiheit erhält man, wenn wenigstens
die Anzahl der eingetasteten oder die Anzahl der ausgetasteten
Halbwellen gemäß der Ansprüche 3 oder 4 gerade sind. Der je
weils komplementäre Teil darf dann ungerade entsprechend Anspruch 5
oder 6 bleiben. Abb. 1 zeigt dazu verschiedene "erlaubte"
Rhythmen oder Burstsequenzen zur Veranschaulichung. Dabei zeigen
Abb. 1A bis 1C Beispiele für einfache Sequenzen nach Anspruch
1 mit Einschaltdauern von 2, 3 und 4 Halbwellen und Ausphasen von
jeweils einer Halbwelle weniger, teilweise auch dadurch gekenn
zeichnet, daß entsprechend Anspruch 7 der Verbraucher schon im Mit
tel jeweils bis zur nächsten Austastphase gleichspannungsfrei be
trieben ist. Abb. 1D zeigt ein Beispiel für eine nach Anspruch
2 erst im Mittel einer ganzen Periode gleichspannungsfreie Mehrfach
sequenz, weil die gesamte Anzahl ausgetasteter Halbwellen in einer
Leistungsperiode (=hier eine halbe Spannungsperiode): 2×Ungerade
= Gerade ist. Als mehrfach-sequentielle Austastung soll hier auch
noch gelten, wenn der Verbraucher zwar einem schlichten Halbwellen
betrieb unterliegt, dieser sich jedoch - im Gegensatz zu bekannten,
durch eine Halbwellendiode nicht gleichspannungsfrei betriebenen
Glühlampen - nach jeder Betriebspause umpolt. Der Einsatz erfindungs
gemäßer Signallampenvorrichtungen nach Anspruch 8, und vorzugsweise
für (Straßen-) Verkehrssignallampen nach Anspruch 9, führt also zu
einem vibrierenden, irisierenden oder "geriffelten", lebhaften
Lichteindruck mit - im Verhältnis zu dem nunmehr geringeren Stromver
brauch - wesentlich gesteigerter Erkennbarkeit, insbesondere bei Ge
genlicht (Phantomschutz). Nachts verringern sich bei erhöhtem Kon
trast auch noch Blendwirkung und Verwechselbarkeit mit bunter Licht
reklame. Durch die Modulation erhöht sich auch die psychologische
Wirkung erfindungsgemäß betriebener Lichtzeichenanlagen. Die Erfin
dung kann aber auch als Vorwarnanzeige und dabei vielleicht sogar
zur Einsparung einer Signalleuchte (Ansprüche 46 und 47) dienen. Es
können unterschiedlichen Ampelphasen (gemäß Anspruch 10 insbeson
dere rot oder grün) auch verschiedene Sequenzen zugeordnet sein.
Bei sinkendem Gesamtstromverbrauch können die gewünschten Farb
temperaturwerte periodisch erreicht oder gar überschritten werden.
Nun soll auch die große Lebensdauerverlängerung einer erfindungs
gemäß mit einem Lampenstrom nach Abb. 1A betriebenen Lampe
um mehr als Faktor 3 erklärt werden. Der Rhythmus ist hier: zwei
Halbwellen an und dann eine aus. Dabei ist die erste Halbwelle
noch unteraktiv und die letzte praktisch unaktiv, weil elektrisch
aus. Nur die zweite Halbwelle der An-Phase ist quasi vollaktiv.
Dabei ist hier sogar noch unberücksichtigt geblieben, daß die
Wolfram-Verdampfung aus thermodynamischen Gründen etwas verzögert
einsetzt, also wenn die zugeführte elektrische Leistung schon
wieder abnimmt. Bei 67% Einschaltdauer beträgt die Stromaufnahme
etwa 74% der Vollast. Wenigstens bei entsprechender Erhöhung der
Lampenleistung um ca 1/3 (z. B. von 54 Watt auf 75 Watt, oder von
75 Watt auf 100 Watt) nach Anspruch 21 ergibt sich dann mindestens
wieder die gleiche Erkennbarkeit bei insgesamt etwa gleichem Ener
gieverbrauch. So wird zudem der Einsatz stärkerer Lampen mit ihrem
besseren Spektrum, ihrer höheren Stoßfestigkeit, und auch dadurch
wiederum höherer Lebensdauer ermöglicht, so daß man hier insgesamt
leicht eine vierfache Lampenlebensdauer erhält. Wegen ihres unpro
blematischen Einsatzes empfiehlt sich eine erfindungsgemäße Vor
richtung ganz besonders für die am meisten sicherheitsrelevanten,
roten Signalleuchten. Die Erkennbarkeit einer Modulation ist na
türlich auch eine Funktion der Glühfadenwärmekapazität, so daß
insbesondere bei mit Niedervoltlampen bestückten Signalanlagen
nach Anspruch 12 eine Verlängerung der Burstsignale gegenüber der
in Abb. 1 dargestellten Beispiele für einfach- und mehrfach
sequentielle Halbwellenmuster zu empfehlen sein kann.
Bei Anspruch 13 arbeitet die vorliegende Erfindung in einer mit
Niedervoltlampen bestückten Hochvoltsignalanlage, in welcher die
bei Niedervoltsignalanlagen normalerweise vorhandenen (kostenin
tensiven) Hürden von Zuleitungswiderständen und Anschlußsicher
heit dadurch gelöst werden, indem jede einzelne Lampe in ihrer
unmittelbaren Nähe mit ihrem eigenen Transformator versehen ist,
welcher primärseitig in Hochvolttechnik angesteuert wird. Hier
müssen die Bursts natürlich auch schon für die korrekte Arbeits
weise der vorzugsweise mit Thermosicherungen versehenen Trans
formatoren im Mittel gleichspannungsfrei sein.
Insgesamt ermöglicht die Erfindung durch die erzielbare Lebens
dauerverlängerung auch die preiswerte Verwendung aufwendiger ge
bauter Leuchtmittel, z. B. von Hochvolt-Xenon-Lampen mit eigenem
Recycling-Zyklus oder von Lampen mit integriertem Ringspiegel.
Auch läßt sich gegenüber herkömmlichen Signallampen durch geeig
nete Bemessung der Lampenbetriebsspannung ebenfalls eine hohe
Farbtemperatur oder gar eine Steigerung des Farbtemperatur-Spit
zenwertes gemäß Anspruch 14 und 15 bei ebenfalls hoher Lebens
dauer erreichen, was der Ausbeute sehr zu Gute kommt. Gerade
hohe Farbtemperatur-Spitzenwerte von über 2700-2900 K führen zu
kurzen Relaxationszeiten, was für Niedervoltlampen mit ihrer
großen Wärmeträgheit wichtig ist, will man auch hier eine sicht
bare Vibration bei nur kurzen Burstsequenzen erhalten. Je häufi
ger und länger die Austastphasen sind, umso günstiger werden
Energieverbrauch und Lebensdauerverlängerung durch unaktive und
letztenfalls auch durch unteraktive Phasen, so daß auf diese
Weise eine Lebensdauer- und energiesparend optimierte Betriebs
weise gemäß Anspruch 18 angestrebt werden kann. Dabei sollen die
Ausphasen auch wieder nicht so lang sein, daß der Glühfaden inzwischen
zusehr erkaltet oder die Signallampe gar "aus" ist.
Liegen gemäß Anspruch 19 auch sämtliche Hauptschaltphasen aus
schließlich im Nulldurchgang des Betriebswechselstromes, ergibt
sich ein einschaltstromstoßfreier Betrieb, was insbesondere der
Einsatzmöglichkeit mehrfach gewendelter Lampen (bei Hochvoltlam
pen besonders wichtig) zu Gute kommt, welche zwar bekanntlich
eine höhere Lichtausbeute als einfach gewendelte Lampen haben,
weil weniger Wärme durch die geringere Anzahl erforderlicher
Wendelaufhängungen abgeführt wird, jedoch normalerweise infolge
kräftiger Einschaltstromspitzen leicht einer nur statistisch
einschätzbaren, frühzeitigen Zerstörung durch magnetisch indu
zierte Resonanz, zu hohe Magnetostriktion und zu rasche thermi
sche Extinction unterliegen können, was gerade bei der hohen
Schalthäufigkeit von Straßenverkehrssignalanlagen nachteilig ist
und die gewöhnliche Lampeneinschaltung leicht zu etwas "Unoffi
ziellem" macht. Verbessernläßt sich dies durch eine netzsynchron
nur im Nulldurchgang schaltende Signalanlage oder etwa durch
eine gesonderte Verzögerung aller Hauptschaltphasen bis zum näch
sten Nulldurchgang, was sich etwa mit einem als Nulldetektor ar
beitenden Komparator erreichen läßt, welcher nur während der
Wechselstrom-Nulldurchgänge ein D-Flip-Flop (auch als Data-Latch
bezeichnet) taktet, welches dann die an seinem Dateneingang lie
gende "An"-Information für die betreffende Lampe in seinen Aus
gangspuffer übernimmt und nun erst die Lampe schaltet.
Ausführliche Experimente, auch mit Unterstützung eines Lampen
mikrofons (Schallemissionsanalyse), haben gezeigt, daß die auf
diese Weise erzielte Verlangsamung ausreicht, um die Resonanz
bildung genügend zu unterdrücken. Gerade wegen der statistischen
Bedeutung von Anspruch 19 darf hier nicht unerwähnt bleiben, daß
die Schaltvorgangswahrscheinlichkeit in Nulldurchgangsnähe wegen
des sinusförmigen Wechselstromverlaufs nur gering ist, so daß
die Einschaltspitzen wegen des sehr niedrigen Lampenkaltwider
standes meist beträchtlich sind.
In diesem Zusammenhang ist auch wichtig, daß bei gleichmäßiger Ab
dampfung des Wolfram-Fadens erst eine kontinuierliche Verringerung
der Lampenleistung eintreten müßte. Erfahrungsgemäß tritt aber ein
frühzeitiger Bruch an Unstetigkeitsstellen auf. Niedervoltlampen
erlauben höhere Wolfram-Verdampfungsraten.
Die Abb. 2A-2C zeigen schematisch die Einschleifung einer
erfindungsgemäßen Halbwellenaustastvorrichtung an einen Wechsel
stromverbraucherkreis, hier an eine Lampenschaltanlage, enthaltend
ein Lampenarray L1 . . . L3 bzw. ..Ln mit den zugehörigen Schaltern S1
. . . S3 bzw. . . . Sn. Dabei zeigt Abb. 2A den Einsatz der Halbwel
lenaustastung H allgemein. Etwa gemäß Anspruch 13 ist die Lampe L3
dabei beispielsweise als Niedervoltlampe mit dem Transformator TR
versehen. Hier ist also die gemischte Bestückung mit Hoch- und
Niedervoltlampen angedeutet. Die Darstellung jeder Lampe kann na
türlich praktisch auch eine Parallelschaltung aus mehreren gleich
zu taktenden, vorzugsweise gleichbedeutenden, Signallampen reprä
sentieren.
Bei Abb. 2B liegt die konkrete Ausgestaltung der erfindungs
gemäßen Halbwellenaustastung mit 3 Anschlußpunkten, also als Drei
punktanordnung H(3) vor, wie sie wieder einer Lichtzeichenanlage
L1 . . . Ln mit ihrer Steuerung S1 . . . Sn vorgeschaltet sein kann. Hier
kann die Länge der Aus- und Eintastimpulse etwa durch eine Zähler
anordnung für die Anzahl der Nulldurchgänge N oder durch passende
Zeitglieder bestimmt sein. Die erfindungsgemäße Austastvorrichtung
kann dabei mit einem eigenen Leistungsschalter versehen sein oder
aber ihre digitalen Austastsignale können den Lampensteuersignalen
zur Einsparung eines zusätzlichen Leistungsschalters mit seinem
unvermeidbarem Spannungsabfall hinzugemischt werden und dadurch
ihre lebensdauerverlängernde Wirkung über genügend schnelle und
auf diese Weise doppelt genutzte Leistungsschalter entfachen.
Abb. 2C zeigt dagegen eine als Modul besonders leicht in eine
Versorgungsleitung eines beliebigen Wechselstromverbraucherkreises
einschleifbare Zweipunktanordnung der erfindungsgemäßen Halbwellen
austastung H(2). Etwa über einen Ladekondensator als Energiespei
cher muß sich die - vornehmlich in Lowpower-Technik ausgeführte -
Schaltung ausschließlich über ihre "Aus"-Phasen speisen, weil sie
sich sonst ja selbst kurzschließt. Auch die Gewinnung der Null
durchgangs-Informationen während der "Ein"-Phasen ist nun aus glei
chem Grund schwierig, so daß die Anzahl der "Ein"-Phasen hier vor
zugsweise durch ein Zeitglied bestimmt wird. Dieses kann etwa mit
konventionellen RC-Zeitkonstantengliedern aufgebaut sein und dabei
durch geeignete Schaltungstechnik die nötige Temperaturstabilität
erhalten, oder aber eine digitale, auch als integrierte Schaltung
schon fertig erhältliche Timerschaltung - bestehend etwa aus einem
Quarzoszillator mit nachfolgender Zählerschaltung und Ablaufsteue
rung - enthalten. In jedem Fall führt eine Zeitkonstantenerhöhung
stets ab einem bestimmten Schwellwert zu einer sprungartigen Erhö
hung der jeweiligen Halbwellen-Modenzahl, wenn die erfindungsgemäße
Austastvorrichtung konsequent mit einem kontinuierlich einstellba
ren Zeitglied ausgestattet ist. Möchte man auf eine Timerlösung
verzichten, müßte man sich hier schon mit einem Stromwächter oder einem
phasengerasteten Regelkreis gemäß Anspruch 50 für die Nulldurchgän
ge behelfen. Abb. 3A zeigt zur Erläuterung des Ablaufs einer
zählergesteuerten Halbwellenaustastvorrichtung nochmals eine elemen
tare "Schneckenfolge", wie sie mit einer solchen erfindungsgemäßen
Austastvorrichtung erzielbar ist. Abb. 3B zeigt einen dazu
passenden Sollverlauf zur Ansteuerung eines dafür vorgesehenen Thy
ristor- oder Triac-Schalters. Weil ein derartiger Schalter sich
erst durch eine Stromunterbrechung wieder zurücksetzt, braucht das
Ansteuersignal nicht unbedingt ganz bis zum nächsten Nulldurchgang
anzuliegen, sondern kann schon vorher wieder erlöschen.
Abb. 3C zeigt schematisch die digitalen Nulldetektorsignale,
hier in invertierter Darstellung, wie sie etwa mit einer geeigne
ten Komparatorschaltung gewonnen werden können. Diese Signale sind
nur zur Veranschaulichung so breit dargestellt. Man wird sie in
der praxis schmaler wählen, um den Nulldurchgang genauer zu tref
fen.
Die in der Diagrammebene 3D enthaltenen Impulse haben die gleichen
Anstiegsflanken wie die Nulldetektorsignale, sind jedoch breiter.
Es handelt sich hierbei um die mit einem Zeitkonstantenglied bzw.
mit einem sog. Monoflop verbreiterten Nulldetektorsignale. Dieses
Monoflop dient der Unterdrückung von Störimpulsen, denn falls im
Nulldurchgang Störungen oder höherfrequente Schaltsignale auf der
Netzleitung liegen, wird durch die nun vorhandene Mindestzeitkon
stante jegliche Nachtriggerung des Zählers wirkungsvoll vermieden. Ferner ab
vom Nulldurchgang müßten diese unerwünschten Störungen schon ganz
erhebliche Amplituden aufweisen, was in der Praxis wegen der dabei
geforderten Leistungen nicht vorkonmen kann.
Die Diagrammebene 3E schließlich zeigt das Ausgangssignal einer
solchen voll-digitalen Halbwellenaustastvorrichtung, wie es dann
schließlich einen passenden Leistungsschalter, wie etwa einen Tri
ac oder einen Leistungs-Feldeffekttransistor anzusteuern vermag.
Abb. 4 zeigt eine einfache Ausführungsform einer den Diagram
men entsprechenden Anordnung. Aus Gründen der Potentialtrennung
wird die Schaltung über einen Transformator mit anschließender
Gleichrichterbrücke gespeist, von der auch die Nulldetektorsignale
abgenommen werden. Dabei speist das Rückstromventil D5, vor dem ja
auch die Nulldetektorsignale abgenommen werden, den Ladekondensator
CL und den Eingang "IN" des Spannungsreglers R.
Den Nullkomparator bildet hier der NPN-Transistor T mit seinem
Vorwiderstand RB und seinem Nullungswiderstand RN. Er schaltet
das aus drei Gattern und dem Zeitkonstantenglied CT und RT beste
hende Entstör-Monoflop, wie schon bei Abb. 3 besprochen. Der
Monoflop-Ausgang taktet über Anschluß 1 die integrierte, negativ
flankengetriggerte Zählerschaltung "CD 4024", über deren Rück
setzleitung "RESET" die Halbwellenzahl einer Gesamtperiode mit
Hilfe eines Diodenarrays binär programmierbar ist. Auch die An
zahl der aufeinanderfolgenden "Aus"-Perioden kann bei dieser pro
grammierbaren Universalschaltung über eine weitere Schalteranord
nung wählbar gehalten werden. Dies ist hier nur mit dem Schalter
S5 angedeutet, welcher hier über einen weiteren Dioden-Decoder
zwischen 1 oder 2 Halbwellenlängen der "Aus"-Phase zu wählen ge
stattet. Unterbricht S5, setzt nämlich nicht nur der Zählerstand
"Null" den Ausgang auf "Aus", sondern auch noch der unmittelbar
folgende Zählerstand "Eins". Das Ausgangssignal kann noch vor der
Zuführung an den eingezeichneten Triac mit einem stromverstärken
den Transistor gepuffert werden oder, wie besprochen, der allge
meinen Steuerung einer Lichtzeichenanlage beigemischt werden.
Während des Schaltens auftretende Transienten oder "Spikes" müs
sen möglicherweise noch durch ein zusätzliches Mikrosekundenfil
ter unterdrückt werden. Es gibt aber auch programmierbare, ferti
ge Zähler-IC′s, die dieses Bit-Rauschen gleich unterbinden.
Die beschriebene Schaltung soll nur ein Ausführungsbeispiel sein.
Insgesamt kann über die zwei Dekoder bildende Matrix aus 2×4
Dioden auch ein schaltersparendes Festprogramm, etwa mit den zwei
Möglichkeiten "Niedervolt - Hochvolt", gewählt werden. Durch
Steuerung der Dreipunktaustastvorrichtung durch eine - vorzugs
weise nichtnachtriggerbare - Zeitgeberanordnung anstatt durch eine
Zählschaltung kann die Störempfindlichkeit bei sehr unsauberem
Netzwechselstrom noch weiter gesenkt werden.
Abb. 5 zeigt schematisch eine aufwendig und professioneller
gestaltete Nulldetektorschaltung. Die Transformator-Sekundärwic
klung mit Mittelpunktanzapfung stellt wieder die (hier symmetri
sche) Versorgungsspannung und speist den Tiefpaßfilter F1. Das
Kerbfilter F2 unterdrückt etwa Schaltsignale, z. B. bei 700 Hz.
Alle durch den Transformator, F1 und F2 verursachten Phasendre
hungen werden mit dem abgleichbaren Korrekturglied kompensiert.
Findet die Korrektur an dieser Stelle statt, kann dazu gut ein in
C angedeutetes Allpaßfilter verwendet werden. Hinter dem Kompara
tor kann dieser Phasenabgleich dagegen durch ein veränderbares
Zeitkonstantenglied mit Digitalausgang vorgenommen werden. Der
besonders übersteuerungsfeste Verstärker V1 setzt dann das Signal
um einen ordentlichen Faktor herauf, bevor es dann über eine aus
Inverterstufe V2 und 2 Dioden bestehende Brückengleichrichteran
ordnung der Nulldetektorschaltung Z zugeführt wird. Nochmals zur
Unterdrückung von Störimpulsen folgt diesem Nullkomparator wieder
ein Monoflop M, welches das Nullsignal um einen deutlichen, aber
nicht genau festzulegenden Faktor zu verlängern vermag, und den
Ausgang dieser Triggeranordnung bildet. Der Anschluß "Output"
führt dann etwa wieder zur programmierbaren Halbwellenaustastvor
richtung. Diese ganze Schaltung kann übrigens auch galvanisch mit
dem Netz gekoppelt werden und dann etwa über einen Optokoppler
den Leistungsschalter betätigen. Durch Ausführung aller Schalt
vorgänge in Nulldurchgangsnähe bleiben Funkstörungen naturgemäß
sehr gering, besonders, wenn der Schaltvorgang noch durch eine
einstellbare Flankenverzögerung genau auf Null abgeglichen wird.
Die noch in den Hochfrequenzbereich reichenden Komponenten des
Austastspektrums selbst sind naturgemäß sehr gering, da die Fou
rierterme hier steiler als 1/n abnehmen, was auch für die Reso
nanzbildung in der Lampe selbst wichtig ist, und die Geräuschlo
sigkeit erfindungsgemäß aus dem Kalten getasteter Lampen erklärt.
Reststörungen können gemäß Anspruch 20 mit geeigneten Funkent
störmitteln noch weiter vermindert werden. In Abb. 6 sind
diese Bauelemente als L und C eingezeichnet. Entsprechend An
spruch 24 dient ein Thyristor TH als Leistungsschalter, der im
polaren Zweig eines Brückengleichrichters D1-D4 einer gemäß
Anspruch 29 ausgeführten Eindrahtanordnung liegt. Die schema
tisch angedeutete Detektor- und Zeitkonstantenschaltung wird
hier über den Ladekondensator CL, einen Vorwiderstand R und ei
ne Z-Diode ZD gespeist. Ein- und Austastzeit werden hier gemäß
Anspruch 30 und 32 jeweils unabhängig voneinander vermittels
P1 und P2 gewählt, wobei sich dann die jeweilige Modenzahl beim
Erreichen einer bestimmten Einstellgrenze, von der aus die Ein
stellung dann wieder aus Toleranzgründen etwas zurückgenommen
wird, sprungartig ändert. Nach Anspruch 25 hätte hier - je nach
gefordertem Schaltstrom - als Schaltelement etwa auch ein Leis
tungsfeldeffekttransistor mit seiner statischen Gatesteuerung
als Schalter verwendet werden können. Dann läßt sich über eine
Verlangsamung dieser Gatesteuerung die gewünschte Verringerung
von Restfunkstörungen ebenfalls erreichen.
Die Zeitkonstanten von Signalsicherungseinrichtungen und Lampen
ausfalldetektoren müssen bei dieser Erfindung gemäß Anspruch 22
entsprechend bemessen sein, damit die gewollten Leerphasen nicht
zu Fehlermeldungen führen. (Natürlich ist auch eine Austastung
der Lampenausfalldetektoren möglich, jedoch wird man diesen Weg
aus Sicherheitsgründen nicht gehen.) Bei Verbrauchern und Signal
anlagen mit mehreren Halbwellenaustastvorrichtungen, auch etwa
für Drehstromspeisung, empfiehlt sich - gemäß Anspruch 23 bei ho
hem Leistungsverbrauch schon zum Zwecke des Lastausgleichs -eine
Synchronisation zwischen den einzelnen Steuereinheiten, damit die
Leerphasen aller Austastvorrichtungen nicht gleichzeitig liegen.
Abb. 7 zeigt wieder zur Erläuterung ein koinzidierendes Im
pulsdiagramm für eine Zweipunktaustastvorrichtung. Während 7A wie
der das zu erzielende Ausgangssignal darstellt, zeigt 7B das in
vertierte Null-Detektorsignal. Da sich die Schaltung -wie schon
erwähnt- von selbst kurzschließt, steht es über die ganze Eintast
zeit auf "logisch 1". Abb. 7C zeigt die mit einem kleinen RC-
Glied aus diesem Nullsignal gewonnenen Schaltflanken, welche ein
als Zeitglied dienendes, einstellbares Monoflop mit dem in 7D dar
gestellten Ausgangssignal triggern, welches wiederum einen Triac
als selbst haltenden Leistungsschalter zu betätigen vermag.
Abb. 8 skizziert eine einfache Schaltung zur ausschließlichen
Eintastung eines Wechselstromverbrauchers im Nulldurchgang gemäß
Anspruch 26, wie sie sogar schon in einem Glühlampensockel unter
gebracht oder zur raschen Nachrüstung einfacher Lampenschaltanla
gen verwendbar ist. Wird gerade unter Spannung geschaltet, unter
drückt TC2 den Zündimpuls für den Triac TC1, bevor sich das Gate-
Signal leicht verzögert über das Zeitkonstantenglied R und C auf
baut. Im Nulldurchgang dagegen wird TC1 vor Erreichen der Schwel
lenspannung von TC2 gezündet. Anstatt von Thyristoren ist hier na
türlich auch eine passende Transistoranordnung verwendbar. Durch
das RC-Glied wird TH1 dann im laufenden Betrieb vorteilhafterweise
direkt im Nulldurchgang gezündet. Eine derartige Schaltung ist üb
rigens auch gut als Modul oder integrierte Schaltung in 2- oder 3-
Punktanordnung integrierbar. Anstatt einer doppelpoligen Z-Diode
ZD ist auch ein VDR-Widerstand zur Schwellwertbildung verwendbar.
Der Triac TC1 darf sich hier nicht durch einen steilen Einschalt
sprung von selbst betätigen. Abb. 9 zeigt eine voll galvanisch ge
koppelte und in Low-Power-Technik ausführbare Austastvorrichtung
mit Fenster- bzw. Absolutwertkomparator, bei welcher die Dauer des
Triac-Steuer-Stroms gemäß Anspruch 43 zur Eintastung im Nulldurch
gang und auch zur Energieeinsparung durch das wieder mit der Zeit-
Konstante CT×RT versehene Monoflop M zeitlich sehr reduziert wird.
Die Einweggleichrichter D1 und D2 bilden hier mit den Hochvolt-
Ladekondensatoren CL1 und CL2 und den Z-Dioden ZD1 und ZD2 die
symmetrische Versorgung für den hier als Komparator arbeitenden
Operationsverstärker des gemäß Anspruch 39 ausgeführten symmetri
schen Nulldetektors K, ab dessen Ausgang nur noch die positive
Versorgung benötigt wird. Schalter S schaltet hier symbolisch die
Signallampe Sig. hauptphasig nach Anspruch 19 und wird jeweils ab
dem nächsten Nulldurchgang einschaltend wirksam. Der Schaltpunkt-
Feinabgleich mit Hilfe des Abgleich-Gliedes C sollte hier wie
allgemein gemäß Anspruch 37 schon vor der Freigabe und natürlich
nicht erst in situ vollzogen werden. Der Zähler Z ist hier nur
symbolisch angedeutet und wird in seiner Ausführung den jeweili
gen Erfordernissen genau angepaßt.
Wird eine erfindungsgemäße Austastvorrichtung durch beide Halb
wellen des Lichtnetzes und gemäß Anspruch 38 über einen Vollweg
gleichrichter synchronisiert, wird man zur Erzielung der Gleich
spannungsfreiheit des Verbrauchers gemäß Anspruch 40 zu einem
potentialtrennenden Mittel greifen.
Abb. 10 zeigt ein doppeltes Halbwellendiagramm zur verschie
den-sequentieller Speisung unterschiedlicher Signallampen gemäß
Anspruch 41. Die beiden Sequenzen sind untereinander zum Zwecke
des Lastausgleichs gemäß Anspruch 23 dahingehend korreliert, daß
nie ein unbelasteter Zustand eintritt. Gemäß Anspruch 48 erhält
hier die gegen Rotverschiebungen empfindlichere Grünphase die
längere Eintastdauer. Dabei kann die rote Lampe gemäß Anspruch 21
durch eine um das 4/3fache stärkere Lampe ersetzt sein und 4- bis 5fache
Lebensdauer haben, während die grüne Lampe normale Leistung
und 2,5- bis 3fache Lebensdauer hat, so daß der Auswechselzyklus auf
das Dreifache verlängert werden kann.
Wird eine Lichtzeichenanlage stationär mit der Halbwellenaustastung
betrieben, unterstützt nach Anspruch 44 die hierdurch erzielte Kon
trasterhöhung den herkömmlichen Phantomschutz. Zusätzlich kann dieser
Betrieb mit einer wie in Abb. 11 schematisch dargestellten digi
talen Helligkeitsstellung für den Tag-Nacht-Betrieb nach Anspruch 45
kombiniert werden, etwa indem der Modenzähler über weitere Gatter e
lektrisch steuerbar gehalten ist, und ermöglicht dadurch eine weitere
Lebensdauerverlängerung und Energieeinsparung. Weil die dabei auftre
tenden Eintastmoden mal geradzahlig nach Anspruch 3 und mal ungerad
zahlig nach Anspruch 5 sein können, ist die Zahl ausgetasteter Halb
wellen in Abb. 11 gerade gemäß Anspruch 4 gewählt, damit man
auch hier ein gleichstromfreies Speisesignal nach Anspruch 2 erhält.
Bei Anspruch 46 dagegen wird die Erfindung nicht lebensdauerverlän
gernd, sondern - etwa als überbrückbare Schaltung - zur Vorwarnanzeige
genutzt, was im Extremfall zur Einsparung eines Lichtzeichens führt.
Bei Anspruch 49 werden die Nulldurchgangsinformationen beider Halb
wellen aus nur einer Halbwelle gewonnen, indem kleine +/--Unsymmetrien
über den Startpunkt der Nulldetektion zugelassen werden, wie in Abb.
12 skizziert. Die in Fig. 12B dargestellten Intervalle T sind etwas
kürzer als die in 12A dargestellten Halbwellen. T triggert ein Mono
flop M1 (Fig. 12D). Das invertierte Signal von T (Fig. 12C) triggert
etwa ein zweites Monoflop M2 (Fig. 12E). Deren Summenausgangssignal
schließlich liefert für jeden Nulldurchgang einen Impuls (Fig. 12F).
Abb. 13 schließlich zeigt eine Ausführungsmöglichkeit dazu. An
der Z-Diode ZD erscheint ein einphasig gleichgerichteter Strom, der
sowohl der Speisung als auch der Nulldetektion dient. Die beiden
gleichen Monoflops M1 und M2 werden hier von Gatter und Schmitt-Trig
ger gesteuert. Um Nachtriggerungen des Zählers Z zu verhindern, ist
deren Zeitkonstante wieder etwas länger gewählt, und ein drittes
Monoflop M3 mit kurzer Zeitkonstante pulst hier den über einen Hoch
voltschalttransistor geführten Triac-Steuerstrom nach Anspruch 43.
Bei Überbrückung des Zählers erhält man wieder eine einfache Vor
richtung zum stoßstromfreien Einschalten ohmscher Lasten.
Claims (50)
1. Vorrichtung für die periodische Austastung von Wechselstrom-
Halbwellen für Wechselstrom-gespeiste Verbraucher,
gekennzeichnet durch die periodische Unterdrückung oder Austatung
einzelner Wechselspannungshalbwellen oder Wechselspannungshalbwel
lengruppen mit einer sich auf mehr als zwei Halbwellen erstreckba
ren Gesamtperiode.
2. Anordnung zur periodischen Halbwellenaustastung wie in
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbraucher insgesamt
im Mittel gleichspannungsfrei betrieben werden.
3. Anordnung zur Halbwellenaustastung nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch eine gerade Anzahl eingetasteter Halbwellen.
4. Anordnung zur Halbwellenaustastung nach Anpruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch eine ungerade Anzahl der eingetasteten
Halbwellen.
5. Anordnung zur Halbwellenaustastung nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch eine ungerade Anzahl der ausgetasteten
Halbwellen.
6. Anordnung zur Halbwellenaustastung nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch eine ungerade Anzahl der ausgetasteten
Halbwellen.
7. Anordnung zur mehrfach-sequentiellen Halbwellenaustastung
nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß unterschiedliche Leistungsperioden vorhanden sind
(innerhalb derer noch keine Spannungsfreiheit bestehen muß,
wenn Anspruch 2 erfüllt sein soll).
8. Halbwellenaustastanordnung für Wechselstrombetrieb nach einem
der genannten Ansprüche oder sonstige Rhythmussteuerung für
häufig betätigten Leistungsverbraucher,
dadurch gekennzeichnet, daß diese Steuerung (zur Erzeugung
"geriffelten Lichtes") eine Signallampe, inbesondere mit in
tegriertem Ringspiegel, speist.
9. Halbwellensteuerung für Signallampe nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Signallampe um
eine Verkehrssignallampe, vorzugsweise um eine Straßenver
kehrssignallampe handelt.
10. Halbwellensteuerung für Signalanlage nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß eine der Signallampen der Erzeu
gung roten Lichtes dient.
11. Halbwellensteuerung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Signalanlage in Hochvolt
technik ausgeführt ist.
12. Halbwellensteuerung für Lichtzeichenanlage nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der verwen
deten Lampen Niedervoltsignallampen sind.
13. Signallampe, vorzugsweise Halogenlampe, mit modulierter oder
"vibrierender" Helligkeit nach Anspruch 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß sich unmittelbar in Lampennähe ein Transfor
mator befindet.
14. Signallampe mit vibrierender Helligkeit nach einem der
genannten Ansprüche, gekennzeichnet durch eine maximale
Farbtemperatur von über 2400 Grad Kelvin.
15. Signallampe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
daß der Spitzenwert der Farbtemperatur über 2800 Grad
Kelvin oder höher als der für den kontinuierlichen Betrieb
der Lampe vorgesehene Wert liegt.
16. Erfindungsgemäße Halbwellenaustastvorrichtung, dadurch
gekennzeichnet, daß einen halbwellengesteuerter Digital
zähler, vorzugsweise ein Binärzähler, vorhanden ist.
17. Erfindungsgemäße Halbwellenaustastvorrichtung, dadurch
gekennzeichnet, daß Ein- und/oder Austastzeit durch ein
Zeitglied (Monoflop) gesteuert werden.
18. Besonders energiesparend betriebene Signallampe nach einem
der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dauer der Austastphase so lang als möglich bzw.
praktikabel gehalten ist.
19. Einschaltstoßstromfreie Lichtzeichenanlage, dadurch gekenn
zeichnet, daß alle Lampeneinschaltvorgänge (hier also: auch
alle Haupteinschaltphasen) nur in Nulldurchgangsnähe liegen,
ohne daß dies durch eine jede Halbwelle gleichermaßen
beeinflussende Helligkeitssteuerung bewirkt wird.
20. Halbwellen- oder Impulssteuerung nach einem der genannten
Ansprüche, gekennzeichnet durch die Ausstattung mit geeig
neten Induktivitäten und Kapazitäten als Funkentstörmittel.
21. Anlage mit erfindungsgemäß angesteuerten Verbrauchern,
gekennzeichnet durch Signallampen entsprechend höherer
Strichleistung wie sonst ohne Halbwellensteuerung.
22. Signallampensteuerung nach einem der genannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß diese in eine Signalanlage mit
integriertem Ausfall- oder Rotausfalldetektor, vorzugsweise
in eine Straßenverkehrssignalanlage mit eingebauter Signal-
Sicherungsvorrichtung, integriert ist.
23. Durch mehrere verschiedene Halbwellenaustastsignale
gesteuerter Wechselstrom- Mehrphasen- oder Drehstromkreis,
gekennzeichnet durch eine derartige Kopplung oder Synchro
nisation zwischen den einzelnen Austastsignalen, daß durch
gegenseitige Verschiebung der einzelnen Ein- und Ausphasen
ein sinnvoller zeitlicher Lastausgleich erzielt wird.
24. Signallampensteuerung nach einem der genannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Triac oder ein Thyristor
als schaltendes Bauelement verwendet wird.
25. Signallampensteuerung nach einem der genannten Ansprüche,
gekennzeichnet durch einen Leistungstransistor oder insbe
sondere einen Leistungsfeldeffekttransistor als Schalter.
26. Halbwellenaustastvorrichtung im Sinne dieser Erfindung,
insbesondere zur einfachen Aus- oder Nachrüstung kleiner
Lampenschaltanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß solche
Anordnung, wenigstens jedoch zur ausschließlichen Eintas
tung im Nulldurchgang, in unmittelbarer Nähe des Verbrau
chers oder wenigstens hinter dem Schalter, vorzugsweise
im Sockel einer Signalglühlampe, angebracht ist.
27. Signallampensteuerung nach einem der genannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das schaltende Bauelement im
polaren Zweig eines Brückengleichrichters liegt.
28. Signallampensteuerschaltung nach einem der genannten
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese mit beiden
Verbraucher- bzw. Versorgungsanschlüssen verbunden ist.
29. Signallampensteuerschaltung nach einem der genannten
Ansprüche, derart ausgestaltet,
daß diese als Eindrahtschaltung lediglich in Serie mit
einem Verbraucheranschluß zu legen ist, wobei vorzugsweise
ein Ladungsspeicher für die elektronische Schaltung vorge
sehen ist, welche etwa über eine geeignete Vorwiderstands
anordnung direkt aus dem Netz gespeist werden kann.
30. Halbwellensteuerung mit besonders stabilem und konstantem
Zeitglied nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch besondere
Temperaturstabilität der maßgeblichen Zeitkonstanten in
einem weiten Temperaturbereich, insbesondere indem das
Zeitglied digital ist, indem es etwa einen Quarzoszillator
mit nachfolgendem Frequenzzähler, enthält.
31. Halbwellenaustastschaltung für eine Wechselstromschaltanlage
im Sinne dieser Erfindung, gekennzeichnet durch eine derar
tige Mischung des Halbwellensteuerungssignals mit dem Schalt
signal, daß zusammen nur ein Leistungsschalter ausreicht.
32. Universelle Halbwellensteuerung nach einem der genannten
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß Ein- oder Ausschaltdauer unabhängig voneinander,
insbesondere über ein festes Programm, wählbar sind.
33. Halbwellenaustastvorrichtung für Wechselstrom nach einem der
genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke
der Beseitigung von Restfunkstörungen ein kontinuierlich
durchschaltendes Element, wie etwa ein Leistungsfeldeffekt
transistor, als Leistungsschalter dient und der Schaltvor
gang dadurch über eine gewisse, wenn auch nur kurze Zeit
spanne ausgedehnt werden kann, so daß dadurch dem verblei
benden Spektrum restliche HF-Komponenten wirksam entzogen
werden können.
34. Halbwellenaustastvorrichtung für Wechselstrom nach einem der
genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke
der Beseitigung von Restfunkstörungen eine zusätzliche Ab
gleichmöglichkeit zur genauen Verschiebung des Schaltpunktes
auf den Nulldurchgang geschaffen ist.
35. Abgleichvorrichtung für Halbwellenaustastung nach
Anspruch 34,
dadurch gekennzeichnet, daß für den zeitlichen Feinabgleich
ein zusätzlicher analoger Phasenschieberkreis, wie etwa ein
Tiefpaß oder ein Allpaßfilter, vorgesehen ist.
36. Abgleichvorrichtung für Halbwellenaustastung nach Anspruch 34,
dadurch gekennzeichnet, daß die Möglichkeit des zeitlichen
Feinabgleichs erst hinter dem Nulldetektor erfolgt, und in
einer einstellbaren Verzögerung des Digitalsignals besteht.
37. Zeitsparendes Nullabgleichverfahren nach Anspruch 34, 35 oder
36, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltpunkt-Feinabgleich
des Austastgerätes nicht erst in situ, sondern schon vorher,
also im Labor bzw. bei der Herstellung, vorgenommen wird.
38. Halbwellenaustastvorrichtung nach einem der genannten
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Netzfrequenz-
Synchronisation mit beiden Halbwellen der Netzspannung über
einen Vollweggleichrichter erfolgt.
39. Halbwellenaustastvorrichtung im Sinne dieser Erfindung,
dadurch gekennzeichnet, daß die Nulldetektion mit einem
Absolutwertkomparator bzw. einen um Null eingestellten
Fensterkomparator erfolgt.
40. Erfindungsgemäße Halbwellenaustastvorrichtung,
gekennzeichnet durch potentialtrennende Mittel wie Optokop
pler oder Transformator zwischen Netz und Austastschaltung
oder zwischen dem Ausgang der Austastschaltung und dem
Leistungsschalter oder zwischen erst- und letztgenanntem.
41. Durch erfindungsgemäße Halbwellenaustastvorrichtung gesteu
erte, mit unterschiedlichen Farben bzw. mit Streuscheiben
unterschiedlicher Farbe versehene Lichtzeichenanlage,
dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene Signallampen mit
prinzipiell unterschiedlichen Farbtemperaturen betrieben
werden, was vorzugsweise durch (strangweise) Speisung mit
Halbwellenaustastvorrichtungen unterschiedlicher Sequenz
erzielt werden kann (so daß nur gleichartige Lampen
verwendet zu werden brauchen), jedoch auch durch
verschieden dimensionierte Lampen erzielbar ist.
42. Erfindungsgemäße, digital gesteuerte Halbwellenaustastvor
richtung, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl Ein- als auch
Austastzeit durch den einen, selben Digitalzähler gesteuert
werden, wozu dessen Ausgang insbesondere auch mit einem
oder gar mehreren Decodern versehen sein kann.
43. Halbwellenaustastvorrichtung mit gepulstem und dadurch nied
rigem mittlerem Steuerstrom, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schaltstrecke selbst zur Verundung herangezogen wird,
indem der Thyristor oder Triac nur in Nulldurchgangsnähe
ein Schaltsignal erhält, wodurch bewirkt wird, daß alle
Schaltphasen nur in Nulldurchgangsnähe beginnen können.
44. Erfindungsgemäße Halbwellenaustastvorrichtung für Signal
lampen, gekennzeichnet durch einen derartigen Einsatz, daß
diese durch die elektronisch im Zeitbereich erzielte Kon
trasterhöhung einen Phantomschutz bewirkt.
45. Halbwellenaustastvorrichtung nach einem der genannten An
sprüche, gekennzeichnet durch elektrisch steuerbare Moden
zahlen, etwa zur digitalen Helligkeitssteuerung von Signal
lampen für Tag- Nachtbetrieb.
46. Erfindungsgemäße Halbwellenaustastvorrichtung für Signal
lampen und Lichtzeichenanlagen, dadurch gekennzeichnet,
daß diese als Vorwarnanzeige genutzt wird.
47. Lichtzeichensteueranlage nach Anspruch 46, dadurch gekenn
zeichnet, daß durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung
gegenüber herkömmlichen Signalanlagen eine Lampe bzw. eine
Farbe eingespart wird.
48. Erfindungsgemäße Halbwellenaustastvorrichtung, dadurch ge
kennzeichnet, daß diese auf 2 unterschiedliche Phasen (Rot-
und Grünphase) mit unterschiedlichen Sequenzen angewandt
wird, indem die (gegen Rotverschiebungen emp
findlichere) Grünphase eine längere Eintastdauer erhält.
49. Halbwellenaustastvorrichtung nach einem der genannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Nulldetektorsignale einem einphasig gleichgerichteten
Wechselstrom entnommen sind, also einem pulsierenden Gleich
strom, dem jede zweite Halbwelle fehlt,
vorzugsweise dahingehend vereinfacht, daß eine kleine Unsymme
trie über den Startpunkt der Nulldetektion zugelassen wird.
50. Halbwellenaustastvorrichtung nach einem der genannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Nulldetektorsignale in einem synchronisierbaren Oszil
lator oder einem phasengerasteten Regelkreis generiert werden.
Priority Applications (1)
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DE4214882A DE4214882A1 (de) | 1991-07-21 | 1992-05-05 | Halbwellenaustastvorrichtung fuer elektrische gluehlampen und andere wechselstrombetriebene verbraucher |
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DE4124442 | 1991-07-21 | ||
DE4211952 | 1992-04-06 | ||
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DE4214882A1 true DE4214882A1 (de) | 1993-01-28 |
Family
ID=27202739
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE4214882A Withdrawn DE4214882A1 (de) | 1991-07-21 | 1992-05-05 | Halbwellenaustastvorrichtung fuer elektrische gluehlampen und andere wechselstrombetriebene verbraucher |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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