DE4320682C1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Regelung der Beleuchtung eines Raumes - Google Patents
Verfahren und Schaltungsanordnung zur Regelung der Beleuchtung eines RaumesInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beleuchtung
eines Raumes und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung
des Verfahrens.
Moderne Beleuchtungssysteme sind mit Lichtsensoren ausge
stattet. Derartige Beleuchtungssysteme ermöglichen bei
spielsweise eine von der aktuellen Tageslichteinstrahlung
unabhängige Konstantlichtregelung (US-4 701 669). Die übli
cherweise eingesetzten Lichtsensoren detektieren jedoch
nicht die auf einer zu beleuchtenden Fläche meßbare Beleuch
tungsstärke, sondern den von dieser Fläche reflektierten
Lichtstrom. Inwieweit diese Meßgröße der interessierenden
Regelgröße, nämlich der Beleuchtungsstärke in der zu be
leuchtenden Fläche proportional ist, hängt von den jeweili
gen Stoffkennzahlen der zu beleuchtenden Fläche ab. Das Ver
halten eines Stoffes, auf den ein Lichtstrom auftrifft, be
schreiben im einzelnen der Reflexionsgrad (ρ), der Absorp
tionsgrad (α) und der Transmissionsgrad (τ) dieses Stoffes.
Hinzu kommt, daß sich die Stoffkennzahlen, beispielsweise
einer Schreibtischplatte, dadurch ändern, daß Gegenstände
mit anderen Stoffkennzahlen auf der Schreibtischplatte abge
stellt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur
Beleuchtung eines Raumes sowie eine Schaltungsanordnung zur
Durchführung des Verfahrens anzugeben, bei dem eine selbst
tätige Anpassung der Meßwerte an die Regelgröße erfolgt. Die
Schaltungsanordnung soll busfähig sein und dem Anwender eine
leichte Handhabbarkeit bieten.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
Hierbei wirkt die von einem Sensormodul detektierte Strahlung
dadurch auf eine Verstärkungsregelung, daß ein gemessener
Wert mit einem gespeicherten Sollwert verglichen wird und die
so festgestellte Regelabweichung durch einen Eingriff in die
Verstärkungsregelung kompensiert wird. Der gemessene Wert ist
einem von der zu beleuchtenden Fläche reflektierten Licht
strom proportional, wohingegen sich der gespeicherte Sollwert
auf einen der Beleuchtungsstärke in der zu beleuchtenden Flä
che entsprechenden Wert bezieht. Die Eingabe dieser Sollwerte
erfolgt während der Eichung der Anlage. Die nachfolgende
Regelung anzuschließender Lichtquellen über ein Bussystem ist
an sich bekannt (Elektronik 26, S. 26-30 (1992); etz, Band
113, Heft 2, S. 84-87 (1992)).
Das Verfahren wird in vorteilhafter Weise mit einer Schal
tungsanordnung nach Anspruch 2 durchgeführt. Die Schaltung
wird über einen entsprechenden Busankoppler an einen Bus an
geschlossen. Die Schaltungsanordnung ist hierdurch busfähig
und somit für den Einsatz in modernen Gebäudeinstallations
systemen geeignet. Die Schaltung kann nachträglich an beste
hende Systeme angekoppelt werden.
Gemäß Anspruch 3 erfolgt die Verstärkungsregelung des in der
Applikationsschaltung befindlichen Operationsverstärkers
dadurch, daß ein binär gestaffeltes Widerstandsnetzwerk nach
Maßgabe der von der Busankopplung über eine Schnittstelle
übermittelten Regelabweichung auf die Rückkopplung des Ope
rationsverstärkers aufgeschaltet wird. Das binär gestaffelte
Widerstandsnetzwerk ermöglicht, daß die von einer digitalen
Auswertung ermittelte und in digitalisierter Form vorliegen
de Regelabweichung ohne erneute Wandlung zur Einstellung der
analogen Verstärkung eines analogen Signales verwendet wird.
Dadurch, daß die Busankopplung einen Prozessor aufweist, der
mit einem beschreibbaren Speicherelement und einem Logikteil
versehen und über ein an den Bus anschließbares Programmier
gerät bedienbar ist, können alle benötigten
Auswertungen in der dem Sensormodul zugeordneten
Busankopplung durchgeführt werden. Mittels des an den Bus
anschließbaren Programmiergerätes ist eine komfortable
Eichung der Anlage möglich. Zusätzlich kann über das
Programmiergerät jederzeit, beispielsweise zum Einsatz
neuer Lichtquellen oder zur Beleuchtung andersartiger
Flächen, eine neue Parametrierung der Anlage vorgenommen
werden.
Der dem Lichtmesser der Schaltungsanordnung zugeordnete
Signalverstärker bewirkt eine dem Helligkeitsempfinden des
menschlichen Auges angepaßte Signalverstärkung. Hierdurch
gelingt eine den Bedürfnissen des Benutzers optimal
angepaßte Regelung der Beleuchtung.
Die Erfindung soll nun anhand eines in der Zeichnung grob
schematisch wiedergegebenen Ausführungsbeispiels näher er
läutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild der Schaltungsanordnung,
Fig. 2 ein Schaltbild der Schaltungsanordnung und
Fig. 3 eine Prinzipskizze zur Verdeutlichung des
Eichvorganges.
In dem in Fig. 1 gezeigten Blockschaltbild sind an einen Bus
3, beispielsweise eines Gebäudeinstallationssystems, mehre
re Teilnehmerstationen 1 über ihre jeweiligen Busankopp
lungen 2 angeschlossen. Weiter ist ein Programmiergerät 28
mit einer geeigneten Schnittstelle des Busses 3 verbunden.
Zusätzlich zu den Teilnehmerstationen 1 ist ebenfalls über
eine Busankopplung 2 ein Detektor 6 an den Bus 3
angeschlossen. Der Detektor 6 umfaßt ein Sensormodul 4 und
eine Applikationsschaltung 5.
Der Detektor 6 steht über den Bus 3 mit wenigstens einer
der Teilnehmerstationen 1 in Wirkverbindung. Zusätzlich
können die Teilnehmerstationen 1 über den Bus 3 auch unter
einander in Verbindung stehen und über das Programmiergerät
28 angesprochen werden.
Der genaue Aufbau der Schaltungsanordnung zur Durchführung
des Verfahrens ist dem in Fig. 2 gezeigten Schaltplan zu
entnehmen. Das Sensormodul 4 ist über die Applikations
schaltung 5 mit einer Schnittstelle 12 der Busankopplung 2
verbindbar.
Das Sensormodul 4 umfaßt im einzelnen ein Meßgerät 26, das
mit einem invertierenden Eingang eines rückgekoppelten
Operationsverstärkers 25 verbunden ist. Der Ausgang des
Operationsverstärkers 25 ist über einen Datenausgang 22 des
Sensormoduls 4 zugänglich, wobei zwischen den Datenausgang
22 und den Ausgang des Operationsverstärkers 25 ein
Schutzwiderstand 27 geschaltet ist. Die Versorgungsan
schlüsse des Operationsverstärkers 25 sind über einen
Anschluß positiver Polarität 20 und einen Anschluß
negativer Polarität 21 außerhalb des Sensormoduls 4
zugänglich.
Kernbaustein der Applikationsschaltung 5 ist ein Operati
onsverstärker 7 dessen nichtinvertierender Eingang über
eine Schutzbeschaltung 13 mit den Anschlüssen 20, 22, 21
des Sensormoduls 4 verbindbar ist. Hierzu ist der nicht
invertierende Eingang des Operationsverstärkers 7 über
einen Begrenzungswiderstand 14 der Schutzbeschaltung 13 mit
dem Datenausgang 22 verbindbar. Ein Betriebsspannungs
anschluß des Operationsverstärkers 7 ist an eine Versor
gungszuleitung 18 mit positiver Polarität angeschlossen.
Die Versorgungszuleitung 18 ist an ihrem einen Ende an
einen Versorgungsanschluß 23 der Schnittstelle 12 an
schließbar und an ihrem anderen Ende kann der Anschluß
positiver Polarität 20 des Sensormoduls 4 angeschlossen
werden. Der Operationsverstärker 7 weist eine Parallel
schaltung von einer eine Kapazität und einen Widerstand
umfassende Rückkopplung 8 auf. An den Widerstandszweig
dieser Rückkopplung 8 ist ein Widerstandsnetzwerk 9
angeschlossen. Das Widerstandsnetzwerk 9 besteht aus einer
Parallelschaltung von Widerständen, die so dimensioniert
sind, daß jeder Widerstand ungefähr den zweifachen
Widerstandswert des nächstkleineren Widerstandes aufweist.
Hierdurch ist eine binäre Abstufung der Widerstände gege
ben. Das Widerstandsnetzwerk 9 wird von einer Speicher
einheit 10 über jeweils mit den Widerständen verbundene
Analogschalter 24 angesteuert. Die Speichereinheit 10 ist
über eine Ankopplungsschaltung 11 mit der Schnittstelle 12
der Busankopplung 2 verbunden.
Im Folgenden wird die Funktion der in Fig. 2 gezeigten
Schaltungsanordnung näher erläutert. Das Meßgerät 26
detektiert einen dem von einer zu beleuchtenden Fläche 34
reflektierten Lichtstrom proportionalen Meßwert, der über
den Signalverstärker 25 und den Begrenzungswiderstand 27 an
den Datenausgang 22 des Sensormoduls 4 gelangt. Dieser
Meßwert wird, durch den Operationsverstärker 7 der Applika
tionsschaltung 5 neuerlich verstärkt, über eine Schnitt
stelle 12 an die Busankopplung 2 weitergeleitet. Die Höhe
der von dem Operationsverstärker 7 vorgenommenen Verstär
kung des Meßwertes hängt von der Einstellung der die
Verstärkungsregelung beeinflussenden Rückkopplung 8 ab.
Hierbei wird über die Schnittstelle 12 ein vom Prozessor 32
der Busankopplung 2 vorgegebener Sollwert über die Ankopp
lungsschaltung 11 an die Speichereinheit 10 in digitaler
Form übermittelt. So wird beispielsweise ein digitales Wort
in der Speichereinheit 10 abgelegt. Dieses Wort umfaßt 8
Bytes, wobei jedes Byte jeweils die Stellung, Ein oder Aus
des entsprechenden Analogschalters 24 repräsentiert.
Hierdurch wird eine dem Wert des Wortes entsprechende
Widerstandskombination aus dem Widerstandsnetzwerk 9
ausgewählt und auf die Rückkopplung 8 geschaltet. Dies hat
eine dem Wert des Wortes und damit dem vorgegebenen
Sollwert proportionale Verstärkungsregelung für den
Operationsverstärker 7 zur Folge. Am Ausgang des
Operationsverstärkers 7 steht nun ein auf den Sollwert
verstärkter Meßwert an. Dieser Sollwert repräsentiert die
tatsächlich in der zu beleuchtenden Fläche 34 meßbare
Beleuchtungsstärke E₀. Diese Größe wird nun über die
Schnittstelle 12 an die Busankopplung 2 und wieder an den
Bus 3 übermittelt. Eine übergeordnete Regelung kann nun
in Abhängigkeit der tatsächlich vorhandenen Beleuchtungs
stärke E₀ auf weitere Teilnehmerstationen 1, beispielsweise
Lichtquellen, einwirken.
Die zur Verstärkungsregelung benötigten und von dem
Prozessor 32 der Busankopplung 2 vorgegebenen Sollwerte
werden durch einen bei der Inbetriebnahme der Anlage
einmalig durchzuführenden Eichvorgang eingegeben. Dieser
Eichvorgang wird anhand der die Schaltungsanordnung stark
vereinfacht darstellenden Fig. 3 näher erläutert. Eine
Lichtquelle 31 sendet einen Lichtstrom aus. Dieser
Lichtstrom verursacht in der Ebene 34 eine Beleuch
tungsstärke E₀. Die Beleuchtungsstärke E₀ wird mit einem
externen Meßgerät 33 gemessen. Der eingestrahlte Lichtstrom
wird von der zu beleuchtenden Fläche 34 reflektiert, so daß
an dem Meßgerät 26 des Sensormoduls 4 ein dem reflektierten
Lichtstrom proportionaler Meßwert auftritt. Dieser Meßwert
wird von dem Meßgerät 26 in ein elektrisches Ausgangssignal
umgewandelt, das dem Signalverstärker 25 übermittelt wird.
Das so verstärkte Meßsignal wird über den Ausgang des
Sensormoduls 4 der Applikationsschaltung 5 zugeleitet.
Diese umfaßt im wesentlichen Operationsverstärker 7, dessen
Ausgangssignal mittelbar an der Busankopplung 2 ansteht.
Das von der Applikationsschaltung 5 übermittelte Meßsignal
wird von einem A/D-Wandler 30 der Busankopplung 2 in einen
digitalen Wert umgewandelt und einem Vergleichselement 29
zugeführt. Ein weiterer Eingang des Vergleichselements 29
steht mit dem Prozessor 32 in Verbindung. Der Prozessor 32
wird über das an den Bus 3 angeschlossene Programmiergerät
28 angesprochen. Der Prozessor 32, beispielsweise ein
Mikroprozessor, umfaßt ein beschreibbares Speicherelement
und ein Logikteil. Über das Programmiergerät 28 wird die
von einem externen Meßgerät 33 gemessene Beleuchtungsstärke
eingegeben. Ein Ausgang des Vergleichselementes 29 steht
über das in Fig. 3 nicht dargestellte Widerstandsnetzwerk 9
mittelbar mit der Verstärkungsregelung des
Operationsverstärkers 7 in Wirkverbindung. Über das
Programmiergerät 28 kann nun die Verstärkungsregelung des
Operationsverstärkers 7 derart beeinflußt werden, daß der
am Ausgang des Operationsverstärkers 7 anstehende
Analogwert der von dem externen Meßgerät 33 gemessenen
Beleuchtungsstärke entspricht. Die vorgenommene Einstellung
wird in dem Speicherelement des Prozessors 32
abgespeichert. Dieses Eichverfahren wird für eine das
betreffende Beleuchtungsspektrum gut repräsentierende
Auswahl von Beleuchtungsstärken durchgeführt. Nach Abschluß
dieses Eichverfahrens erfolgt über die Verstärkungsregelung
eine selbsttätige Anpassung der vom Meßgerät 26 gemessenen
Werte an die tatsächlich in der zu beleuchtenden Fläche 34
meßbare Beleuchtungsstärke E₀.
Claims (5)
1. Verfahren zur Regelung der Beleuchtung eines Raumes, wo
bei der von wenigstens einer Lichtquelle abgegebene Licht
strom von einer zu beleuchtenden Fläche (34) reflektiert und
von einem geeigneten Sensormodul (4) detektiert wird und der
durch Detektion ermittelte Meßwert durch eine Verstärkungs
regelung zur Eichung jeweils auf einen Wert angeglichen
wird, der auf der zu beleuchtenden Fläche (34) ursprünglich
meßbar war, wobei der durch die Verstärkungsregelung ermit
telte Verstärkungswert in digitalisierter Form einem einem
Bus (3), insbesondere eines Gebäudeinstallationssystems, zu
geordneten Busankoppler (2) gegebenenfalls übermittelt und
in einem beschreibbaren Speicherelement des Busankopplers
(2) abgespeichert und zur Regelung mindestens einer an den
Bus (3) angeschlossenen Lichtquelle und/oder für Kontroll
zwecke zur Verfügung gestellt wird.
2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1, bei der ein Sensormodul (4) über eine Applika
tionsschaltung (5) mit einem entsprechenden Busankoppler (2)
verbunden ist, wobei das Sensormodul (4) einen Lichtmesser
(26) umfaßt, der mit einem Signalverstärker (25) verbunden
ist, dessen Ausgangssignal gegebenenfalls über einen Schutz
widerstand (27) an einen Datenausgang (22) des Sensormoduls
(4) geführt ist, wobei die Applikationsschaltung (5) an die
sen Datenausgang (22) derart angeschlossen ist, daß dieses
Ausgangssignal über eine Schutzbeschaltung (13) auf einen
nichtinvertierenden Eingang eines mittels einer Verstär
kungsregelung einstellbaren Operationsverstärkers (7) der
Applikationsschaltung (5) geführt ist, wobei das am Ausgang
des Operationsverstärkers (7) analog anstehende korrigierte
Meßsignal über eine Stabilisierungsschaltung mit einer
Schnittstelle (12) der Busankopplung (2) verbunden ist und
hierdurch der Ausgang des Operationsverstärkers (7) über
diese Schnittstelle (12) mit einem A/D-Wandler (30) verbun
den ist, wobei der Ausgang des A/D-Wandlers (30) mit einem
Vergleichselement (29) verbunden ist, an dessen weiteren
Eingang ein Speicherelement der Busankopplung (2) ange
schlossen ist, wobei ein ggf. am Ausgang des A/D-Wandlers
(30) anstehender vom Sollwert abweichender Meßwert mit der
Verstärkungsregelung des Operationsverstärkers (7) in Wirk
verbindung steht und der durch die Verstärkungsregelung er
mittelte Verstärkungswert zusätzlich in einem beschreibbaren
Speicherelement der Busankopplung (2) speicherbar ist, wobei
die Busankopplung (2) über einen Bus (3) mit weiteren Teil
nehmerstationen (1) insbesondere Lichtquellen, in Wirkver
bindung steht.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, bei der an den Ope
rationsverstärker (7) eine Rückkopplung (8) angeschlossen
ist, die eine Parallelschaltung aus einem kapazitiv ge
schalteten Zweig und einem Widerstandszweig umfaßt, wobei an
den Widerstandszweig ein Widerstandsnetzwerk (9) ange
schlossen ist, wobei die parallelen Zweige dieses Wider
standsnetzwerkes (9) Widerstände umfassen, die derart dimen
sioniert sind, daß der Widerstandswert eines jeden Wider
standes in etwa doppelt so groß ist, wie der des nächst
kleineren Widerstandes und wobei jeder Widerstand dieses
Widerstandsnetzwerkes (9) mit jeweils einem Analogschalter
(24) verbunden ist, wobei die Analogschalter (24) jeweils
mit einer über eine entsprechende Ankopplungsschaltung (11)
an die Schnittstelle (12) der Busankopplung (2) angeschlos
sene Speichereinheit (10) verbunden sind.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 und/oder 3, bei der
die Busankopplung (2) einen Prozessor aufweist, der mit
einem beschreibbaren Speicherelement und einem Logikteil
versehen und über ein an den Bus (3) anschließbares
Programmiergerät (28) bedienbar ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorher
gehenden Ansprüche, bei der das Sensormodul (4) einen Licht
messer (26) umfaßt, der mit einem Signalverstärker (25) für
eine dem Helligkeitsempfinden des menschlichen Auges ange
paßte Signalverstärkung verbunden ist.
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