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Erfindungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft den allgemeinen Gegenstand von Schaltungen
zum Bestromen von Entladungslampen. Die vorliegende Erfindung betrifft
insbesondere ein Helligkeitssteuersystem für elektrische Vorschaltgeräte.
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Allgemeiner
Stand der Technik
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Aus
US 6,188,177 (Adamson) ist
ein Helligkeitssteuersystem für
Gasentladungslampen bekannt, das die Lumenausgabe von Lampen in
Abhängigkeit
von den Umgebungsbeleuchtungsbedingungen steuert. Lichtsensoren
liefern eine Steuerspannung, die einen spannungsgesteuerten Oszillator steuert.
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Herkömmliche
helligkeitssteuernde Vorschaltgeräte für Gasentladungslampen enthalten eine
Niederspannungshelligkeitssteuerschaltungsanordnung, die in Verbindung
mit einem externen Helligkeitssteuercontroller arbeiten soll. Dieser
externe Helligkeitssteuercontroller ist an spezielle Eingänge an dem
Vorschaltgerät über eine
eigene Niederspannungssteuerverdrahtung angeschlossen, die aus Sicherheitsgründen nicht
in dem gleichen Kanal wie die AC-Stromverdrahtung verlegt werden
kann. Der externe Helligkeitssteuercontroller ist üblicherweise sehr
teuer. Zudem ist die Installation einer Niederspannungssteuerverdrahtung
recht arbeitsintensiv (und somit teuer), insbesondere bei "Nachrüst"-Anwendungen. Wegen
dieser Nachteile sind erhebliche Bemühungen darauf verwandt worden,
Steuerschaltungen zu entwickeln, die in Reihe mit der AC-Leitung zwischen
der AC-Quelle und dem oder den Vorschaltgeräten eingefügt werden kann, wodurch die Notwendigkeit
für zusätzliche
Helligkeitssteuerdrähte entfällt. Die
resultierenden Ansätze
werden manchmal allgemein als "Leitungssteuerungs"-Helligkeitssteuerung
bezeichnet.
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Eine
Reihe von Leitungssteuerungs-Helligkeitssteuerungsansätzen existieren
im Stand der Technik. Bei einer bekannten Art von Leitungssteuerungs-Helligkeitssteuerungsansatz
wird in die AC-Spannungswellenform
bei oder in der Nähe
ihrer Nulldurchgänge
eine Kerbe (d.h. Totzeit) eingeführt. Dieser
Ansatz erfordert eine Schalteinrichtung wie etwa einen Triac, damit
die Kerbe erzeugt wird. Innerhalb des oder der Vorschaltgeräte mißt eine
Steuerschaltung die Zeitdauer der Kerbe und erzeugt ein entsprechendes
Helligkeitssteuersignal zum Variieren des von dem Vorschaltgerät erzeugten
Lichtpegels. In der Praxis weisen diese Ansätze hinsichtlich Kosten und
Leistung eine Reihe von Mängeln
auf. Eine signifikante Leistungsmenge wird insbesondere dann in
der Schalteinrichtung verbraucht, wenn mehrere Vorschaltgeräte gesteuert
werden sollen. Zudem verzerrt das Verfahren selbst den Netzstrom,
was zu einem schlechten Leistungsfaktor und zu einem hohen Klirrfaktor
führt und
manchmal übermäßige elektromagnetische
Interferenz erzeugt. Zudem ist die Steuerschaltungsanordnung im
allgemeinen recht komplex und aufwendig.
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Was
deshalb benötigt
wird, ist ein Helligkeitssteuersystem, bei dem jede Notwendigkeit
für zusätzliche
Helligkeitssteuerdrähte
entfällt,
ohne aber jedoch Dauerverlustleistung, Leitungsstromverzerrung oder
elektromagnetische Interferenz in unerwünschten Höhen einzuführen. Es existiert außerdem ein
Bedarf an einem Helligkeitssteuersystem, das strukturell effizient
und kosteneffektiv ist. Ein Helligkeitssteuersystem mit diesen Merkmalen
würde gegenüber dem
Stand der Technik einen signifikanten Fortschritt darstellen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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1 beschreibt
ein Helligkeitssteuerungssystem zur Verwendung in Verbindung mit
einem oder mehreren elektronischen helligkeitssteuernden Vorschaltgeräten gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wie in 1 beschrieben, umfaßt ein Helligkeitssteuerungssystem
eine Wandschalterbaugruppe 100 und einen Helligkeitssteuerungssignaldetektor 200.
Die Wandschalterbaugruppe 100 weist ein erstes Ende 102 und
ein zweites Ende 104 auf. Die Wandschalterbaugruppe 100 ist gedacht
für die
Reihenschaltung mit einer herkömmlichen
Wechselstrom-AC-Quelle 10 (z.B. 120 Volt bei 60 Hertz)
mit einem spannungsführenden
Leiter 12 und einem Neutralleiter 14. Das erste
Ende 102 ist an den spannungsführenden Leiter 12 der
AC-Quelle 10 gekoppelt. Der Helligkeitssteuerungssignaldetektor 300 ist
an das zweite Ende 104 und den Neutralleiter 14 der
AC-Quelle 10 gekoppelt und enthält einen ersten und zweiten
Ausgang 310, 312 zum Anschluß an eine Niederspannungshelligkeitssteuerungsschaltungsanordnung
in einem nicht gezeigten elektronischen helligkeitssteuernden Vorschaltgerät. Bevorzugt
befindet sich der Helligkeitssteuerungssignaldetektor 300 selbst
innerhalb eines elektronischen helligkeitssteuernden Vorschaltgeräts, und
jedes Vorschaltgerät
weist seinen eigenen Detektor 300 auf. Die Wandschalterbaugruppe 100 soll
sich andererseits außerhalb
des Vorschaltgeräts
und bevorzugt innerhalb eines elektronischen Schaltkastens befinden.
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Die
Wandschalterbaugruppe 100 enthält einen ersten Schalter 120,
einen zweiten Schalter 130, eine erste Diode 140 und
eine zweite Diode 150. Die Wandschalterbaugruppe 110 kann
auch einen herkömmlichen
Ein-Aus-Schalter 110 zum Steuern des Anlegens von AC-Strom
an mindestens ein Vorschaltgerät
enthalten, das der Wandschalterbaugruppe 100 nachgeschaltet
ist. Die erste Diode 140 weist eine Anode 142 und
eine Kathode 144 auf; die Anode 142 ist an das
erste Ende 102 über
den Ein-Aus-Schalter 110 gekoppelt. Die zweite Diode 150 weist
eine Anode 152 und eine Kathode 154 auf; die Anode 152 ist
an das zweite Ende 104 gekoppelt und die Kathode 154 ist
an die Kathode 144 der Diode 140 gekoppelt. Der
Schalter 120 ist parallel zur Diode 140 gekoppelt,
während
der Schalter 130 parallel zur Diode 150 gekoppelt
ist.
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Die
Schalter 120, 130 sind bevorzugt als einpolige
Ausschalter implementiert, die normalerweise geschlossen sind und
die nur so lange offen bleiben wie sie von einem Benutzer gedrückt werden.
Zudem ist es wünschenswert,
daß die
Schalter 120, 130 mechanisch gekuppelt sind, um
die Möglichkeit
auszuschließen,
daß beide
Schalter gleichzeitig offen sind. Bevorzugt teilen sich die Schalter 120, 130 einen Dreipositionssteuerhebel
mit einer Auf-Ab-Aktion, wobei eine Auf-Bewegung den Schalter 120 öffnen und
eine Ab-Bewegung den Schalter 130 öffnen würde und beide Schalter 120, 130 im
Ruhezustand geschlossen wären.
Beispielsweise können
die Schalter 120, 130 über eine Anordnung vom "Auf-Pfeil/Ab-Pfeil"-Wippentyp realisiert
werden, wobei Schalter 120 geöffnet ist, während der "Auf-Pfeil" gedrückt ist,
Schalter 130 geöffnet
ist, während
der "Ab-Pfeil" gedrückt ist
und beide Schalter 120, 130 in Abwesenheit von
irgendeinem Drücken
durch einen Benutzer geschlossen sind.
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Wenn
sich der Ein-Aus-Schalter 110 während der Betätigung in
der Ein-Position befindet, verhält
sich die Wandschalterbaugruppe 100 wie folgt.
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Wenn
beide Schalter 120, 130 geschlossen sind, werden
die Dioden 140, 150 jeweils von ihrem jeweiligen
Schalter umgangen, so daß das
erste Ende 102 einfach zum zweiten Ende 104 kurzgeschlossen
ist. Somit werden sowohl die positiven als auch die negativen Halbwellen
der Spannung von der AC-Quelle 10 durchgelassen und die
Spannung zwischen dem zweiten Ende 104 und dem Neutralleiter 14,
die die von dem Helligkeitssteuerungssignaldetektor 200 überwachte
Spannung ist und als AC-Strom der Vorschaltgeräteschaltungsanordnung zugeführt wird,
ist eine normale sinusförmige AC-Spannung.
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Wenn
der Schalter 120 offen ist und Schalter 130 geschlossen
ist, darf ein positiv gehender Strom (von links nach rechts) in
das erste Ende 102, durch die Diode 140, durch
den Schalter 130 (unter Umgehung der Diode 150,
die den positiv gehenden Strom blockiert) und aus dem zweiten Ende 104 fließen. Umgekehrt
wird negativ gehender Strom von der Diode 140 blockiert.
Somit werden nur die positiven Halbwellen der AC-Spannung durchgelassen,
und die Spannung zwischen dem zweiten Ende 104 und dem
Neutralleiter 14 ist eine halbwellengleichgerichtete AC-Spannung,
die nur die positiv gehenden Abschnitte der sinusförmigen AC-Spannung
von der AC-Quelle 10 enthält.
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Wenn
der Schalter 120 geschlossen ist und der Schalter 130 offen
ist, darf ein negativ gehender Strom (von rechts nach links) in
das zweite Ende 104, durch die Diode 150, durch
den Schalter 120 (wodurch die Diode 140 umgangen
wird, die negativ gehenden Strom blockiert) und aus dem ersten Ende 102 fließen. Umgekehrt
wird positiv gehender Strom von der Diode 150 blockiert.
Somit werden nur die negativen Halbwellen der AC-Spannung durchgelassen, und die Spannung
zwischen dem zweiten Ende 104 und dem Neutralleiter 14 ist
eine halbwellengleichgerichtete AC-Spannung, die nur die negativ gehenden
Abschnitte der sinusförmigen
AC-Spannung von der AC-Quelle 10 enthält.
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Wie
unten eingehender erläutert
wird, behandelt der Helligkeitssteuerungssignaldetektor 300 ein
vorübergehendes
Drücken
des Schalters 130 (d.h., es dürfen nur positive Halbwellen
hindurchfließen)
als "Aufhell"-Befehl und reagiert
durch Heraufsetzen des Pegels seiner Ausgangsspannung (d.h. der
Spannung zwischen dem Ausgang 206 und dem Ausgang 208)
während
der Zeit, während
der der Schalter 130 gedrückt bleibt. Umgekehrt wird
ein vorübergehendes
Drücken
des Schalters 120 (d.h., nur negative Halbwellen dürfen hindurchfließen) als
ein "Abblend"-Befehl behandelt,
auf den der Helligkeitssteuerungssignaldetektor 300 damit
reagiert, daß er den
Pegel seiner Ausgangsspannung herabsetzt.
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Im
Gegensatz zu "Leistungssteuerungs"-Helligkeitssteuerungsansätzen nach
dem Stand der Technik wie etwa jene, die einen Triac in Reihe mit
der AC-Quelle verwenden, führt
die Wandschalterbaugruppe 100 beim normalen Betrieb (d.h., wenn
die Schalter 120, 130 geschlossen sind) in den AC-Netzstrom
keine leitungsgeführte
elektromagnetische Interferenz (EMI) oder Verzerrung ein. Zudem verbraucht
die Wandschalterbaugruppe 100 beim normalen Betrieb keine
Leistung, da der von einem oder mehreren nachgeschalteten etwaigen
Vorschaltgeräten
gezogene AC-Strom durch die Schalter 120, 130 anstatt
durch die Dioden 140, 150 fließt. Wenn andererseits einer
der Schalter 120, 130 geöffnet wird, um ein Abblendsignal
zu senden, wird eine kleine Leistungsmenge in einer der Dioden 140, 150 verbraucht,
aber nur so lange, wie der Schalter gedrückt bleibt. Die erforderliche
Leistungsangabe der Dioden ist eine Funktion des Stroms, der von
dem oder den nachgeschalteten Vorschaltgeräten gezogen wird.
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Bevorzugt
liegt der Helligkeitssteuerungssignaldetektor 300 selbst
innerhalb eines elektronischen helligkeitssteuernden Vorschaltgeräts. Wenn
mehrere helligkeitssteuernde Vorschaltgeräte involviert sind, wird jedes
Vorschaltgerät
seinen eigenen Helligkeitssteuerungssignaldetektor 300 aufweisen; andererseits
ist nur eine Wandschalterbaugruppe 100 erforderlich, selbst
wenn mehrere Vorschaltgeräte
involviert sind.
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Wie
in 1 beschrieben umfaßt ein Helligkeitssteuerungssignaldetektor 300 einen
ersten und zweiten Eingangsanschluß 302, 304,
einen ersten und zweiten Ausgangsanschluß 310, 312,
einen Vollwellenbrückengleichrichter 316 und
einen Auf-Ab- Zähler 320.
Der erste Eingangsanschluß 302 ist
an das zweite Ende 104 der Wandschalterbaugruppe 100 gekoppelt.
Der zweite Eingangsanschluß 304 ist
an den Neutralleiter 14 der AC-Quelle 10 gekoppelt.
Die Ausgangsanschlüsse 310, 312 sind
für einen
internen Anschluß an
die Niederspannungshelligkeitssteuerungseingänge eines elektronischen helligkeitssteuernden
Vorschaltgeräts
ausgelegt. Der zweite Ausgangsanschluß 312 ist an Schaltungsmasse 20 gekoppelt.
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Obwohl
ein Vollwellenbrückengleichrichter 316 bereits
innerhalb jedes elektronischen helligkeitssteuernden Vorschaltgeräts vorgesehen
ist, ist er hier der Deutlichkeit halber und zur Hilfe beim Verständnis der
detaillierten Arbeitsweise des Helligkeitssteuerungssignaldetektors 300 explizit
gezeigt und beschrieben. Der Vollwellenbrückengleichrichter 316 ist
an Eingangsanschlüsse 302, 304 und
Schaltungsmasse 20 gekoppelt. Der Gleichrichter 316 enthält Ausgangsverbindungen 306, 308,
die für
eine Verbindung mit beispielsweise einer Leistungsfaktorkorrekturstufe
(z.B. einem Hochsetzsteller) innerhalb des elektronischen helligkeitssteuernden
Vorschaltgeräts
gedacht sind; beim normalen Betrieb, wenn beide Schalter 120, 130 geschlossen
sind, ist die Spannung zwischen Anschluß 306 und Anschluß 308 eine
ungefilterte Vollwellenwechselspannung. Die Ausgangsverbindung 308 ist
an Schaltungsmasse 20 gekoppelt und stellt somit eine Massereferenz bereit
(die sich auf einem anderen Potential als der Neutralleiter 14 der
AC-Quelle 10 befindet), die für den gewünschten Betrieb des Helligkeitssteuerungssignaldetektors 300 wichtig
ist.
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Der
Auf-Ab-Zähler 320 enthält einen
ersten Zählereingang 322,
einen zweiten Zählereingang 324 und
einen Zählerausgang 326.
Der erste Zählereingang 322 ist
an den Vollwellengleichrichter 316 und den Eingangsanschluß 302 gekoppelt.
Der zweite Zählereingang 324 ist
an den Vollwellengleichrichter 316 und den Eingangsanschluß 304 gekoppelt. Der
Zählerausgang 326 ist
an den ersten Ausgangsanschluß 310 gekoppelt.
Der Auf-Ab-Zähler 320 empfängt Arbeitsleistung
von einer Gleichstromversorgung (+VCC). Bei einer Ausführung enthält der Auf-Ab-Zähler 320 bevorzugt
einen digitalen Zähler gefolgt
von einem Digital-Analog-(D/A)-Umsetzer
sowie eine etwaige assoziierte periphere Schaltungsanordnung (z.B.
Widerstandsspannungsteilernetze, die mit jedem Zählereingang assoziiert sind,
um die Spannungen auf verarbeitbare Pegel für den digitalen Zähler herunterzuskalieren).
Alternativ kann der Auf-Ab-Zähler über eine
kundenspezifische integrierte Schaltung oder einen programmierbaren
Microcontroller implementiert sein.
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Während des
Betriebs überwacht
der Auf-/Ab-Zähler 320 die
Signale an den Eingangsanschlüssen 302, 304 (die
beide bezüglich
der Schaltungsmasse 20 genommen werden, die sich auf einem
anderen Potential als der Neutralleiter 14 der AC-Quelle 10 befindet)
und setzt die Spannung zwischen den Ausgangsanschlüssen 310, 312 als
Reaktion auf ein "Ungleichgewicht" zwischen den Signalen an
den Eingangsanschlüssen 302, 304 herauf
oder herab. Insbesondere zählt
der Auf-Ab-Zähler 320 um Eins
herauf für
jede positive Halbwelle, die an einem ersten Zählereingang 322 erscheint,
und zählt
um Eins herab für
jede positive Halbwelle, die am zweiten Zählereingang 324 erscheint.
Der Zählerstand wird
intern von einem D/A-Umsetzer auf eine Spannung umgesetzt, die am
Zählerausgang 326 bereitgestellt
wird.
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Wenn
während
des normalen Betriebs beide Schalter 120, 130 geschlossen
sind, treten über
einen festen Zeitraum eine gleiche Anzahl positiver Halbwellen an
jedem der Zählereingänge 322, 324 auf,
so daß der
interne Zählwert
(und entsprechend die Spannung zwischen Ausgangsanschlüssen 310, 312)
stabil bleibt. Dennoch ist zu verstehen, daß sich der Zählwert ständig um
einen Zählwert
nach oben und unten bewegt (mit der Frequenz der AC-Quelle 10 – z.B. 60
Hz), weil zu jedem gegebenen Zeitpunkt nur einer der Eingänge 322, 324 eine
positive Halbwelle sieht, während
der andere sie nicht sieht. Insbesondere ist während jeder positiven Halbwelle
der Spannung von der AC-Quelle 10 der Zählereingang 322 auf
H, während
der Zählereingang 324 auf
L ist, was bewirkt, daß der
Zählerwert
um Eins inkrementiert wird; umgekehrt ist während aller negativer Halbwellen
der Spannung von der AC-Quelle 10 der Zählereingang 322 auf
L, während
der Zählereingang 324 auf
H ist, was bewirkt, daß der
Zählerwert
um Eins dekrementiert wird. Während
des normalen Betriebs, wenn beide Schalter 120, 130 geschlossen sind, "zittert" der Zählerwert
um Eins nach oben und unten; dementsprechend zittert auch die Spannung zwischen
den Ausgangsanschlüssen 310, 312.
Um sicherzustellen, daß dieser
niederfrequente Zittereffekt kein übermäßiges Flimmern in die Lampen
einführt,
ist es erforderlich, daß der
Zähler
so konfiguriert ist, daß er
einen geeignet hohen Zählbereich (z.B.
0 bis 127, was durch einen 8-Bit-Zähler realisiert werden kann)
derart bereitstellt, daß eine
Variation von Eins bei dem Zählwert,
der unter 1% des größten Zählerwerts
liegt, in den Lampen kein feststellbares oder störendes Flimmern erzeugt.
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Wenn
der Schalter 120 vorübergehend
geöffnet
ist, wird der Zählereingang 322 während der nächsten positiven
Halbwelle der AC-Quelle 10 auf H und der Zählereingang 324 auf
L sein. Der Zähler 320 inkrementiert
den Zählerwert
um Eins für
jede AC-Netzwelle,
die auftritt, während
der Schalter 120 offen ist, und wird dies (bis zu einem
vorbestimmten höchsten
Zählwert)
weiter tun, bis der Schalter 120 schließen darf. Der erhöhte Zählwert wird über dem D/A-Umsetzer
innerhalb des Zählers 320 in
eine erhöhte
Spannung am Zählereingang 326 entsprechend
einer erhöhten
Spannung zwischen den Ausgangsanschlüssen 310, 312 übersetzt.
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Während der
Schalter 120 gedrückt
bleibt, inkrementiert der Zähler 320 weiterhin
den Zählerwert
um Eins für
jede AC-Netzwelle.
Wenn der Schalter 120 lange genug (z.B. 2 Sekunden) gedrückt bleibt,
erreicht der Zählerwert
seinen vorbestimmten höchsten
Zählwert
(z.B. 127, wenn ein 8-Bit-Zähler verwendet wird),
was einem Höchstwert
(z.B. 10 Volt) für
die Spannung zwischen den Ausgangsanschlüssen 310, 312 entspricht.
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Wenn
der Schalter 120 losgelassen wird und in seine Ruhekontaktposition
zurückkehren
darf, kehren die Signale an den Zählereingängen 322, 324 in ihren
normalen Betriebszustand zurück
(d.h., jedes sieht während
seiner jeweiligen Halbwelle des AC-Netzes ein hohes Signal) und
der Zählerwert
und die Ausgangsspannung werden bis zu dem Zeitpunkt auf ihren Höchstwerten
gehalten (mit Ausnahme des zuvor erörterten geringfügigen Zitterns),
zu dem durch Drücken
des Schalters 130 ein Abblend-Befehl gesendet wird.
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Wenn
der Schalter 130 vorübergehend
geöffnet
ist, ist der Zählereingang 322 auf
L und der Zählereingang 324 auf
H. Der Zähler 320 dekrementiert
den Zählerwert
um Eins für
jede AC-Netzwelle, die
auftritt, während
der Schalter 130 offen ist, und tut dies weiterhin (bis
herunter zu einem kleinsten Zählwert
von Null), bis der Schalter 130 schließen darf. Der verringerte Zählwert wird über den
D/A-Umsetzer im Zähler 320 in
eine verringerte Spannung am Zählerausgang 326 übersetzt,
die einer verringerten Spannung zwischen den Ausgangsanschlüssen 310, 312 entspricht.
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Wenn
der Schalter 130 gedrückt
bleibt, dekrementiert der Zähler 320 weiterhin
den Zählwert um
Eins für
jede AC-Netzwelle. Wenn der Schalter 130 lange genug (z.B.
2 Sekunden) gedrückt
bleibt, erreicht der Zählwert
seinen vorbestimmten kleinsten Zählwert
von Null, was einen kleinsten Wert (z.B. 0 Volt) für die Spannung
zwischen den Ausgangsanschlüssen 310, 312 entspricht.
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Wenn
der Schalter 130 losgelassen wird und in seine Ruhekontaktposition
zurückkehren
darf, kehren die Signale an den Zählereingängen 322, 324 in ihren
normalen Betriebszustand zurück
(d.h., jedes sieht während
seiner jeweiligen Halbwelle des AC-Netzes ein hohes Signal) und
der Zählerwert
und die Ausgangsspannung werden bis zu dem Zeitpunkt auf ihren kleinsten
Werten gehalten (mit Ausnahme des zuvor erörterten geringfügigen Zitterns),
zu dem durch Drücken
des Schalters 120 ein Aufhell-Befehl gesendet wird.
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Auf
diese Weise liefern die Wandschalterbaugruppe 100 und der
Helligkeitssteuerungssignaldetektor 300 eine variable Helligkeitssteuerungsspannung
für ein
oder mehrere elektronische helligkeitssteuernde Vorschaltgeräte.