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Die Erfindung betrifft eine Serienschaltung fur eine
Vielzahl von elektrischen Strom verbrauchenden
Einheiten, die in Serie geschaltet sind, wie Lampen,
Heizelemente, etc., oder Gruppen solcher Einheiten, wobei jede
verbrauchende Einheit oder jede Gruppe von
verbrauchenden Einheiten eine Nebenschlußschaltung aufweist, welche
aktivierbar ist, um den Strom bei Auftreten eines
Fehlers oder eines Versagens einer zugehörigen
verbrauchenden Einheit während des Stromflusses umzulenken, so daß
der durch die Serienschaltung fließende Strom nicht
unterbrochen wird.
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Serienlichtschaltungen, d.h. eine Folge von Lampen, die
in Serien geschaltet und an ein Stromnetz angeschlossen
sind, werden allgemein angewendet, unter anderem zur
Beleuchtung von Weihnachtsbäumen, Schaufenstern,
Lichtsignalen und dgl.. Serienschaltungen haben viele Vorteile
gegenüber Parallelschaltungen, wie einen einfachen
Aufbau, eine viel einfachere Montage einer solchen
Serienschaltung und geringere Kosten, z.B. durch dünnere
Drähte, die für die Verdrahtung eingesetzt werden können.
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Der Nachteil der Serienlichtschaltung liegt darin, daß
bei Versagen einer Lampe oder eines Elements die
komplette Serienschaltung abgeschaltet ist. Deswegen wurden
verschiedene Arten von Nebenschlußschaltungen für
Serienschaltungen
entwickelt, in welchen Bimetalle, NTCs oder
Halbleiter eingesetzt sind. Dort wird zu jeder Lampe
oder jedem Element eine Nebenflußschaltung parallel
geschaltet, wobei diese Schaltung den Stromtransport einer
defekten Lampe übernimmt, so daß die Serienschaltung
weiter funktioniert.
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Aus der EP-A-0 284 592 ist eine
Halbleiternebenschlußschaltung bekannt, welche im wesentlichen durch einen
Triac gebildet ist, welcher parallel zu einer Lampe
geschaltet ist, wobei ein Schwellenwert für die
Auslösespannung des Triacs dadurch festgestellt ist, daß ein
Diac und eine Strombegrenzungseinrichtung zwischen dem
Schalttor (Trigger) und dem einen Strompol eingerichtet
ist. Wenn der Strom durch die Lampe durch Versagen der
Lampe zusammenbricht, wird diese Schwellenspannung in
einer sehr kurzen Zeit überschritten, so daß der Triac
angeschaltet und der Nebenschluß eingerichtet ist.
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In allen Arten von bisher bekannten
Nebenschlußschaltungen unter Einschluß des einen aus der oben erwähnten
europäischen Patentanmeldung existiert das Problem, daß
die Nebenschlußschaltung stromempfindlich ist und den
Strom der Serienschaltung zum Aufrechterhalten der
Nebenschlußfunktion benutzt. Dies kann zu Unregelmäßigkeiten
bei schwankenden Stromverbräuchen führen und schließt
die Möglichkeit eines Einsatzes von Serienschaltungen
mit solchen Nebenschlußschaltungen für kompliziertere
Anwendungen, wie Serienlichtschaltungen mit
Dimmereinrichtungen oder Heizungen, aus.
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Ein weiterer Nachteil dieser Schaltung ist die Tatsache,
daß sie bei jedem Nulldurchgang schalten. Dadurch werden
harmonische Schwingungen erzeugt, die aus dem Stromnetz
nur durch den Einsatz von relativ teureren L/C
Hauptfiltern ausgeschlossen werden können.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine
Nebenschlußschaltung bereitzustellen, in der diese Schwierigkeiten nicht
auftreten.
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Zu diesem Zweck schafft die Erfindung Serienschaltungen
mit Nebenschlußschaltungen wie oben beschrieben, die
dadurch gekennzeichnet sind, daß jede Nebenschlußschaltung
mindestens einen Schalter aufweist, der durch den
Spannungsanstieg über den Nebenschluß bei Ausschalten des
durch seine verbrauchende Einheit fließenden Stroms
einschaltbar ist, und der unabhängig von der Stärke des
Stroms durch die Serienschaltung durch die Haltefunktion
eines Speicherelements im eingeschalteten Zustand
gehalten wird, wobei der Schalter nur durch ein externes
Signal zurückschaltbar ist.
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Der Vorteil dieses Systems liegt darin, daß das
Speicherelement, d.h. ein bi-stabiles Element wie ein geladener
oder ungeladener Kondensator, ein bi-stabiles Relais
oder ein bi-stabiles Halbleiterelement in Betrieb bleibt
und den Schalter unabhängig vom Stromzustand
eingeschaltet läßt, und zwar unabhängig vom Stromzustand, auch
unabhängig vom Strom- oder Spannungszustand in der
Serienschaltung. Das heißt, daß sogar wenn der Strom
vollständig ausfällt, der Nebenschluß über die defekte Lampe
beibehalten bleibt. Durch ein externes Signal kann die
Haltefunktion des Speicherelementes wieder ausgeschaltet
werden, und der Schalter muß zurückgeschaltet werden,
wenn der Nebenschluß ausgeschaltet werden soll. So
arbeitet das System unabhängig von der Stromstärke im
Schaltkreis und benutzt den Strom nur beim Einschalten. Weil
im stationären Zustand kein Schalten auftritt, werden
keine Netzstörungen erzeugt, so daß teure Filter, um
diese auszufiltern, nicht erforderlich sind.
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Solch eine Serienschaltung ist hervorragend für eine
Serienschaltung von Lampen mit steuerbarer
Lichtintensität
geeignet, z.B. für solche für Werbeanordnungen und
Schaufensterbeleuchtungen oder Heizelemente. Bisher
wurde bei parallel geschalteten Lampen die Lichtsteuerung
durch die Spannungssteuerung ausgeführt, aber durch die
Erfindung ist es nun möglich, eine Serienschaltung
einzusetzen, in welcher die Lichtintensität durch
elektronisch steuerbare Stromsteuerung geregelt ist. Dies
bietet große Vorteile, insbesondere bei modernen
Beleuchtungen mit Halogenlampen, die hervorragend zum Dimmen
durch Stromsteuerung geeignet sind. Außerdem kann sehr
gut eine elektronische Stromsteuerung mit modernen
elektronischen Elementen in Form von integrierten
Schaltkreisen (Chips) eingesetzt werden.
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In einer einfachen Ausgestaltung der
Nebenschlußschaltung wird ein elektromechanischer Schalter eingesetzt.
Dieser ist billig und kann in vielen Ausgestaltungen
hergestellt werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung hat die
Nebenschlußschaltung einen Schalttransistor als
Schalter, so wie einen MOS FET, dessen Stromzu- oder
-abführung mit dem Schaittor durch einen Ladekondensator
verbunden ist, der mit einer gesteuerten Ladeschaltung
verbunden ist, die über die verbrauchende Einheit verbunden
ist. Der Ladekreis kann wirkungsvoll aus einem
Halbleiterchip bestehen.
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Es ist wirkungsvoll, diesen Ladeschaltkreis mit einem
Schaltelement zu versehen, das zum Beenden der Umleitung
des Stromes über die Nebenschlußschaltung den
Ladekondensator durch einenmechanischen oder elektronischen
Vorgang kurzschließt.
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Das Schaltelement kann durch eine opto-elektronische
Halbleiterkupplung gebildet sein, in welcher ein
lichtempfindlicher Transistor durch eine lichtgebende Diode
(LED) geschaltet wird.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, die
insbesondere zum Einsatz für Wechselstrom geeignet ist,
kann die Konstruktion so ausgeführt sein, daß die
Nebenschlußschaltung zwei entgegengesetzt in Reihe verbundene
MOS FETs als Schalter aufweist, deren Schalttore
miteinander und mit der einen Seite des Ladekondensators
verbunden sind, wobei der Knoten der MOS FETs mit der
anderen Seite des Kondensators verbunden ist.
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Mit der erfindungsgemäßen Serienschaltung ist es
möglich, eine dimmbare Serienlichtschaltung herzustellen,
z.B. mit Halogenlampen, gekennzeichnet durch eine
elektronische Stromsteuerung, die mit einer Serienschaltung
von Lampen verbunden ist, die die oben beschriebenen
Nebenschlußschaltungen aufweisen.
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Die Erfindung wird nun weiter erklärt unter Hinweis auf
Beispiele, die in der Zeichnung dargestellt sind, wobei
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Figur 1 ein funktionales Blockdiagramm einer
erfindungsgemäßen Nebenschlußschaltung zeigt,
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Figur 2 ein funktionales Blockdiagramm einer zweiten
Ausgestaltung zeigt,
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Figur 3 ein Schaltdiagramm einer weiteren Ausgestaltung
einer erfindungsgemäßen Nebenschlußschaltung
zeigt,
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Figur 4 ein Diagramm des elektrischen Abschnitts eines
elektromechanischen bi-stabilen Schalters zeigt.
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In Figur 1 bezeichnet 1 eine Serienschaltung, in welcher
eine Anzahl von Verbrauchern in Serien geschaltet sind.
Von den Verbrauchern ist nur einer gezeigt und mit 2
bezeichnet. Dieser Verbraucher 2 kann z.B. eine
Halogenlampe sein, und beim Versagen dieser Lampe 2 würde der
Strom durch die Serienschaltung unterbrochen, wäre nicht
die Nebenschlußleitung 3 vorgesehen.
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In dieser Nebenschlußleitung 3 ist ein Schalter 4,
welcher beim Versagen der Lampe 2 zu schließen ist.
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Zu diesem Zweck ist ein Steuerelement 5 vorgesehen,
welches mit beiden Seiten der Lampe 2 durch Steuerleitungen
6 und 7 verbunden ist. Das Steuerelement 5 hat einen
bistabilen Speicher, so daß es den Schalter 4 offen läßt,
solange Strom durch die Lampe 2 fließt. Bei
Unterbrechung des Stromes bringt das bi-stabile Speicherelement
den Schalter 4 in die Geschlossen-Position und hält ihn
darin. So hat das Speicherelement eine Haltefunktion, so
daß unabhängig von Stromänderungen in der
Serienschaltung der Schalter 4 geschlossen bleibt und der Strom
unter allen Umständen weiter durch die Schaltung fließt.
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Die Unterbrechung des Stromes durch die
Nebenschlußleitung 3 kann nur durch ein externes Zurückschaltsignal
erfolgen, welches mit 8 bezeichnet ist, durch welches
der bi-stabile Speicher zurück in seine
Ausgangsposition geschaltet wird, in welcher der Schalter offen ist.
Das Zurückstellsignal 8 kann sowohl manuell als auch
mechanisch ausgeführt werden.
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Wie oben ausgeführt kann das bi-stabile Speicherelement
elektromechanisch in Form eines bi-stabilen Relais oder
als Halbleiterelement ausgeführt sein. Durch ein
Spannungssignal, welches auftritt, wenn die Lampe 2 versagt,
wird das bi-stabile Relais in die Position gebracht, in
welcher der Schalter 4 in der Geschlossen-Position ist.
Danach wird der Schalter 4 durch ein externes Signal in
die Offen-Position gebracht, das z.B. durch einen
Knopfdruck erzeugt wird, worauf ein Stromimpuls erzeugt wird,
oder durch eine andere Maßnahme.
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Figur 2 zeigt eine Ausgestaltung, welche weitgehend der
von Figur 1 entspricht. Jedoch sind zwei Schalter 4a und
4b in den Leitungen angebracht, die zu und von der Lampe
2 verlaufen. In einer Position halten die Schalter 4a
und 4b die Serienschaltung 1 geschlossen, und in der
anderen Position, die durch gestrichelte Linien
dargestellt ist, unterbrechen sie diesen Schaltkreis und
sorgen für die Einrichtung der Nebenschlußleitung 9. Der
Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, daß im Falle
eines Versagens die Lampe 2 vollständig von den
stromführenden Leitungen isoliert ist, welches zusätzliche
Sicherheit beim Ersatz der schadhaften Lampe 2 schafft.
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Figur 3 zeigt ein Schaltdiagramm einer Ausgestaltung der
Erfindung, in welcher zwei Leistungs-MOS FETs S1 und S2
entgegengesetzt in Serie verbunden in der Nebenschluß
leitung 3 vorhanden sind. Ihre Stromzuführungen sind in
dem Knoten 10 verbunden und eine Verbindungsleitung 11
ist zwischen den Schalttoren der MOS FETs vorgesehen.
Zwischen der Leitung 11 und dem Knoten 10 befindet sich
der Kondensator 12, der mit dem Steuerelement 5
verbunden ist, welches hier einen Lade-/Entladeschaltkreis in
Form einer integrierten Schaltung (Chip) aufweist.
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Dieser Schaltkreis funktioniert wie folgt. Wenn die
Serienschaltung in Betrieb ist, d.h. wenn sie mit der
elektrischen Versorgung verbunden ist und alle Lampen 2
brennen, sind die MOS FETs S1 und S2 in einer
nicht-leitenden Position, und der Strom fließt normal durch die
Lampe 2. Wenn eine Lampe versagt, entsteht eine höhere
Spannung über diese Lampe, als dessen Ergebnis das
Steuerelement 5 eingeschaltet und der Kondensator 12 geladen
wird. Deswegen werden die MOS FETs in der
Nebenschlußschaltung leitend und der Strom fließt um die Lampe 2
herum.
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Figur 3 zeigt die Möglichkeit einer Abschaltung der
Nebenschlußleitung durch eine opto-elektronische
Singalgebung. Zu diesem Zweck ist ein lichtempfindlicher
Transistor 13 in dem integrierten Schaltkreis 5
eingeschlossen, wobei dieser Transistor ein Schaltelement bildet
und durch das Licht einer lichtabgebenden Diode (LED) 14
geschaltet ist, die von außen betätigbar ist. Beim
Schließen des lichtempfindlichen Transistors 13 wird der
Kondensator 12 kurzgeschlossen, und als Ergebnis gehen
die MOS FETs S1 und S2 in ihre nicht stromführende
Stellung, so daß der Strom wieder durch die Lampe 2 fließen
kann.
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Der große Vorteil eines solchen Schaltkreises liegt
darin, daß er die Möglichkeit schafft, Serienschaltungen
von Lampen, z.B. Halogenlampen mit Dimmung herzustellen.
Das Dimmen von Halogenlampen hat große Vorteile, weil
die unterschiedlichen Lichtintensitäten durch
Veränderung der Stromstärke erhalten werden können, welches von
besonderer Bedeutung ist, um besondere Lichteffekte
herzustellen. Bisher konnten Dimmerschaltkreise nur für
Parallelschaltungen von Lampen eingesetzt werden, was
umständlicher und teurer ist. Kleinbauende elektronische
Schaltkreise können zur Stromsteuerung eingesetzt
werden, und Lampenserien können ziemlich universell auf
verschiedene Arten betrieben werden.
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Durch Widerstände sind die auftretenden maximalen
Stromund Spannungswerte begrenzt, und durch Dioden wird es
eingerichtet, daß die Schalte- und Zurückschaltesignale
sich nicht überschneiden, indem die abfolgenden
Polantätswechsel der Wechselstromversorgung benutzt wird,
z.B. der Hauptversorgungsspannung. So kann das
Schaltesignal nur in der positiven Sinushälfte auftreten, und
das Zurückschaltesignal in der negativen Sinushälfte.
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Figur 4 zeigt den elektrischen Teil eines
elektromechanischen bi-stabilen Schalters, welcher wiederum mit 4
bezeichnet ist. Der in dieser Figur gezeichnete Teil
besteht aus der Diode 15, dem Widerstand 16, dem
Kondensator 21 und der Spule 17, was dafür Sorge trägt, daß der
Schalter 4 geschlossen wird, wenn ein Schaltsignal
auftritt. Zusammen mit der Selbstinduktion der Spule 17
stellt der Kondensator 21 sicher, daß die Schaltspule 17
den Schalter 4 nicht zurückschaltet, wenn impulsförmige
hohe Spannungen über den Verbraucher 2 auftreten.
Außerdem werden mechanisch hörbare Schwingungen des
Schaltkontaktes 4 beim wiederholten Auftreten dieser Last
vermieden, welches der Fall ist bei Formen von
Phasen-Abschneiden zum Verändern der Energie im Verbraucher 2. Durch
den Widerstand 18, die Diode 19 und die Spule 20 kann
ein Zurückschaltesignal zum Öffnen des Schalters 4
gegeben werden. Die weiteren magnetischen Teile sind nicht
dargestellt.
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Es ist offenkundig, daß nur ein paar mögliche
Ausgestaltungen der erfinderischen Vorrichtung in der Zeichnung
gezeigt und oben beschrieben sind, und daß viele
Veränderungen möglich sind, ohne von der Erfindung
abzuweichen, wie sie in den Ansprüchen definiert ist.