СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ОСВЕТИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКОЙ
SYSTEM FOR CONTROL OF LIGHTING INSTALLATION

Изобретение относится к системе управления осветительной установкой с управляющим прибором, выполненным в форме установочного устройства скрытой проводки, и осветительной установкой, которая имеет управляемую силовую часть.
Системы управления осветительными установками являются общеизвестными, при этом можно сослаться, например, на Busch-Jaeger Katalog 2009, BJE 0001-0-1117/09.08/0502-M, dpi 404103, стр. 288-292. Обычно управление яркостью осветительной установки осуществляется по принципу системы импульсно-фазового управления, как, например, известно из ЕР 0 618 667 В1. Недостатком при этом является несинусоидальное потребление тока из сети переменного напряжения, в результате чего возникают, например, проблемы, заключающиеся в нежелательных высших гармониках тока. Кроме того, качество регулирования яркости зависит от сетевой частоты (колебаний сетевой частоты) и от наложенных на сетевую частоту тональных частот (сигналов централизованного управления). Кроме того, в силовой части электрического установочного устройства скрытой проводки возникают относительно высокие мощности потерь.
В основе изобретения лежит задача предложить оптимизированную систему управления осветительной установкой, в которой управляющий прибор и осветительная установка, установленная в пространственном отношении отдельно от него, могут эксплуатироваться, по возможности без обратного действия, в частности без нагрузки высших гармоник, на питающую сеть переменного напряжения.
Эта задача в соответствии с изобретением решается посредством системы управления осветительной установкой с управляющим прибором, выполненным в форме установочного устройства скрытой проводки, который через блок соединительных клемм соединен с фазным проводом сети переменного напряжения и с нагрузочным проводом, и с осветительной установкой, которая через блок соединительных клемм соединена с нулевым проводом сети переменного напряжения и с нагрузочным проводом,
- причем управляющий прибор имеет силовую часть управляющего прибора, управляемую микроконтроллером управляющего прибора, и элемент регулировки, нагружающий микроконтроллер управляющего прибора, для задания значения яркости,
- причем управляющий прибор модулирует управляющий сигнал, соответствующий устанавливаемому значению яркости, по сетевому переменному напряжению таким образом, что управляющий прибор служит в качестве кодирующего устройства для информации яркости,
- причем осветительная установка включает в себя HF-PWM силовую часть (HF-PWM - высокочастотная широтно-импульсной модуляция), управляемую HF-PWM микроконтроллером и выполненную в форме высокочастотного генератора широтно-импульсной модуляции, подключенную к блоку соединительных клемм через LC-фильтр последовательно с осветительным элементом,
- причем HF-PWM микроконтроллер декодирует управляющий сигнал из выходного переменного напряжения нагрузочного провода и управляет в соответствии с этим HF-PWM силовой частью.
Согласно варианту выполнения изобретения формирование управляющего сигнала или модуляция может осуществляться посредством кратковременного выключения или кратковременного понижения сетевого переменного напряжения в заданные моменты времени по отношению к переходу через нуль сетевого переменного напряжения в пределах синусоидальной волны, причем заданный момент времени находится во взаимосвязи с передаваемым значением яркости.
В качестве альтернативы этому, формирование управляющего сигнала или модуляция могут осуществляться в форме заданных, имеющих разную длину последовательностей манипуляции внутри синусоидальной волны сетевого переменного напряжения, причем длительность сигнала находится во взаимосвязи с передаваемым значением яркости.
При этом управляющий сигнал может либо непрерывно генерироваться, кодироваться и передаваться от управляющего прибора, а также непрерывно регистрироваться и декодироваться осветительной установкой (9), либо управляющий сигнал, в качестве альтернативы этому, может лишь в течение процесса переключения или процесса регулирования света генерироваться, кодироваться и передаваться управляющим прибором, а также регистрироваться и декодироваться осветительной установкой.
В дополнение к вышеописанным вариантам, управляющий сигнал может вместо или дополнительно к значению(ям) яркости содержать другую информацию, например устанавливаемый цвет освещения осветительного элемента.
Достигаемые с помощью изобретения преимущества заключаются, в частности, в том, что предложенная система управления осветительной установкой универсально подходит для омических (резистивных), емкостных и индуктивных осветительных элементов. Посредством HF-PWM генератора осветительной установки, в соответствии с передаваемым значением яркости, может регулироваться синусоидальное выходное напряжение с переменной амплитудой. Возможна регулировка без мерцания осветительных элементов. Не требуется синхронизация с сетевым переменным напряжением. Кроме того, возможен универсальный режим эксплуатации как в сети переменного напряжения в 50 Гц, так и в сети переменного напряжения в 60 Гц. Предложенная система управления осветительной установкой является нечувствительной к сигналам централизованного управления и колебаниям сетевой частоты.
Целесообразные варианты выполнения изобретения охарактеризованы в зависимых пунктах формулы изобретения.
Ниже изобретение поясняется более подробно на примерах выполнения, представленных на чертежах, на которых показано:
Фиг.1 - схема подключения системы управления осветительной установкой,
Фиг.2-4 - представляющие интерес временные диаграммы сетевого переменного напряжения для различных возможностей управления сетевым переменным напряжением.
L'
На Фиг.1 показана схема подключения системы управления осветительной установкой. Показан управляющий прибор 1 и осветительная установка 9, отделенная от него пространственно, причем к блоку 2 соединительных клемм управляющего прибора 1 подключены фазный провод L сети переменного напряжения и нагрузочный провод (подготовленная фаза) L', а также к блоку 10 соединительных клемм осветительной установки 9 подключены нагрузочный провод L' и нулевой провод N сети переменного напряжения. Тем самым, по отношению к сети переменного напряжения (сети в 230 В) имеет место последовательное соединение управляющего прибора 1 и осветительной установки 9. Осветительная установка 9 содержит осветительный элемент 15. С помощью управляющего прибора 1 управляющим сигналом модулируется выходное переменное напряжение u, в то время как осветительная установка 9 декодирует этот сигнал и осуществляет управление осветительным элементом 15 в зависимости от результата этого декодирования.
Управляющий прибор 1 содержит следующие основные конструктивные компоненты:
- вышеупомянутый блок 2 соединительных клемм,
- два силовых полупроводника (силовые транзисторы, в частности силовые МОП-транзисторы) 3, 4, включенные последовательно между фазным проводом L и нагрузочным проводом L', также обозначенные как силовая часть управляющего прибора,
- микроконтроллер 5 управляющего прибора, соединенный с управляющими выводами силовых полупроводников 3, 4, который может нагружаться посредством элемента 7 регулировки,
- сетевая часть 6, соединенная с фазным проводом L и нагрузочным проводом L', для энергоснабжения микроконтроллера 5 управляющего прибора.
Управляющий прибор 1 выполнен в форме монтируемого в стандартной розетке скрытой проводки (60 мм в диаметре) электрического установочного устройства с приборным цоколем, включающим несущее кольцо и пружинную распорку, а также орган управления и защитную рамку, и соответствует простому клавишному регулятору света. Предпочтительным образом не требуются компоненты подавления радиопомех и связанные с высокими затратами схемы синхронизации.
Управляющий прибор 1 может предпочтительным образом комбинироваться с любыми компонентами обычного набора установочных устройств для розеток/выключателей/клавишных переключателей, а также используется обычная защитная рамка данного стандартного набора установочных устройств. При этом под стандартными наборами установочных устройств понимаются наборы, которые предлагаются многочисленными изготовителями установочных устройств и включают в себя различные вставки выключателей с качающимся рычажком, вставки микропереключателей с качающимся рычажком, вставки розеток, балансиры и 1-позиционные, 2-позиционные, 3-позиционные, 4-позиционные защитные рамки определенного дизайна и определенных цветов.
Также может быть реализована упрощенная форма выполнения управляющего прибора 1, в котором приборная вставка скрытой проводки, орган управления и защитная рамка образуют единый блок.
Осветительная установка 9 включает в себя следующие основные конструктивные компоненты:
- вышеупомянутый блок 10 соединительных клемм,
- LC-фильтр 11, подключенный к блоку 10 соединительных клемм,
- связанные катушки индуктивности 12, подключенные к LC-фильтру 11,
- неуправляемый двухполупериодный мостовой выпрямитель 13, подключенный со стороны переменного тока к связанным катушкам индуктивностям 12, отрицательная клемма постоянного тока которого образует потенциал массы,
- осветительный элемент 15, предпочтительно состоящий из по меньшей мере одного светоизлучающего диода (LED), который через добавочный резистор 14 или другой элемент ограничения тока подключен к положительной клемме постоянного тока двухполупериодного мостового выпрямителя 13,
- силовой полупроводник (силовой транзистор с встречно-последовательным диодом) 16, вместе с двухполупериодным мостовым выпрямителем 13, обозначаемый также как HF-PWM силовая часть 16, основные электроды которого соединены, с одной стороны с осветительным элементом 15, а с другой стороны - с потенциалом массы,
- HF-PWM микроконтроллер (высокочастотный микроконтроллер с широтно-импульсной модуляцией) 17, который через свой OUT-вывод подключен к управляющему электроду силового полупроводника 16 и через свой IN-вход соединен с общей точкой соединения двух соединяющих резисторов 18, 19, которые подключены последовательно между положительной клеммой постоянного тока двухполупериодного мостового выпрямителя 13 и потенциалом массы.
Конфигурация, образованная из двухполупериодного мостового выпрямителя 13, силового полупроводника 16 и HF-PWM микроконтроллера 17, обозначается ниже как конвертор. При этом, в качестве альтернативы мостовому выпрямителю и силовому полупроводнику, могут также применяться два встречно-последовательно включенных силовых транзистора (как в управляющем приборе 1).
Далее более подробно поясняется способ работы системы управления осветительной установкой. Управляющий прибор 1 предоставляет конвертору осветительной установки 9 по существу полное сетевое переменное напряжение. Только для передачи информации в течение определенного интервала времени влияние оказывается на форму сигнала сетевого переменного напряжения, то есть управляющий прибор 1 функционирует как кодирующее устройство (кодер - Encoder) для информации о яркости, при этом он модулирует управляющим сигналом сетевое переменное напряжение. Эта передача информации или модуляция может, например, осуществляться путем выключения или снижения сетевого переменного напряжения в заданные моменты времени в пределах синусоидальной волны. Желательное значение яркости (в качестве управляющего сигнала) может, например, передаваться посредством позиции вырезки в полуволне от управляющего прибора 1 к осветительной установке 9.
В качестве альтернативы, управляющий прибор 1, в качестве вспомогательного узла регулятора света, может передавать на конвертор осветительной установки 9 короткие и длинные последовательности манипуляции, например, в первой миллисекунде после каждого перехода через нуль сетевого переменного напряжения (в качестве управляющего сигнала). Тем самым может быть реализовано переключение и регулирование света в качестве управления регулятором света с одной клавишей управления. Управляющие сигналы посылаются только в момент времени управления (а не периодически при каждой полной волне сетевого переменного напряжения), так что не возникает повышенное напряжение радиопомех. Управляющий прибор 1 может коммутировать и регулировать мощности примерно в 500 Вт, если потребление тока конвертора является приближенно синусоидальным.
L
На Фиг. 2-4 показаны представляющие интерес временные диаграммы сетевого переменного напряжения для различных возможностей регулирования сетевого переменного напряжения, причем U обозначает выходное переменное напряжение между нагрузочным проводом L' и нулевым проводом N, а t представляет собой временную ось:
На Фиг.2 показаны в качестве управляющих сигналов импульсы манипулирования, генерируемые в течение временных интервалов 0… 1 мс после перехода через нуль сетевого переменного напряжения.
На Фиг.3 показаны в качестве управляющих сигналов импульсы манипулирования, генерируемые посредством провалов напряжения в течение временных интервалов В.
На Фиг.4 показаны в качестве управляющих сигналов импульсы манипулирования, генерируемые посредством включения/выключения в течение временных интервалов С.
Конвертор осветительной установки 9, предпочтительно для управления LED, включает в себя встроенный декодер (Decoder) для декодирования управляющих сигналов, переданных от управляющего прибора 11 посредством сетевого переменного напряжения, и устанавливает после декодирования переданных управляющих сигналов желательную яркость осветительного элемента 15. При этом могут использоваться два способа:
- Аналоговая передача сигналов: момент времени управляющего сигнала по отношению к переходу через нуль сетевого переменного напряжения постоянно измеряется и определяет значение яркости на нагрузке.
- Цифровая передача сигналов: управляющий сигнал посылается только в процессе переключения или процессе регулирования от управляющего прибора 1 и оценивается осветительной установкой 9 по длительности сигнала. Короткие длительности сигнала, например в диапазоне 60…400 мс, соответствуют импульсам переключения, а более длинные длительности сигнала, например в диапазоне > 400 мс, соответствуют импульсам регулирования света.
Конвертор выполнен таким образом, что гарантируется синусоидальное потребление тока из сети переменного напряжения. Это реализуется в результате того, что осветительный элемент 15 с высокочастотным генератором, управляемым по длительности импульса (HF-PWM генератором), эксплуатируется посредством силового полупроводника 16. Высокочастотный генератор с широтно-импульсной модуляцией или HF-PWM (ВЧ ШИМ) генератор является автономно работающим и не требует синхронизации с сетью переменного напряжения. Силовой полупроводник 16 предпочтительно эксплуатируется в высокочастотном диапазоне 20…100 кГц в диапазоне регулирования (широта импульса) 10…90%. HF-PWM генератор, тактирующий сетевое переменное напряжение, снижает амплитуду напряжения на осветительном элементе 15 по отношению к сетевому переменному напряжению, при этом не изменяя синусоидальную форму напряжения. Коэффициент заполнения (отношение импульса к паузе высокочастотного тактирования) PWM сигнала определяет высоту (амплитуду) поданного на осветительный элемент 15 напряжения и синусоидального нагрузочного тока. LC-фильтр 11 отфильтровывает высокочастотные составляющие и позволяет со стороны сети протекать только низкочастотному току. Этот принцип управления не зависит от типа подключенного осветительного элемента и предпочтительным образом универсально применим для индуктивных, емкостных и резистивных осветительных элементов.
HF-PWM контроллер 17 оценивает управляющие сигналы, полученные посредством двухполупериодного мостового выпрямителя 13 и генерированные управляющим прибором 11, и преобразует их в соответствующие значения яркости, см. отвод в точке соединения соединяющих резисторов 18, 19.
Хотя выше было описано, что значение яркости передается в качестве управляющего сигнала от управляющего прибора 1 к осветительной установке 9, в качестве альтернативы, могут также передаваться другие данные, например, дополнительно к значению яркости или альтернативно ему, может передаваться цвет освещения, регулируемый на осветительном элементе 15 осветительной установки 9.
Перечень ссылочных позиций
1 Управляющий прибор
2 блок соединительных клемм
3 силовой полупроводник (силовой транзистор)
4 силовой полупроводник (силовой транзистор)
5 микроконтроллер управляющего прибора
6 сетевая часть
7 элемент регулировки
9 осветительная установка с HF-PWM (ВЧ ШИМ) генератором для регулировки желательной яркости осветительного элемента
10 блок соединительных клемм
11 LC фильтр
12 связанные катушки индуктивности
13 двухполупериодный мостовой выпрямитель
14 добавочный резистор или иной элемент ограничения тока
15 осветительный элемент (LED)
16 силовой полупроводник (силовой транзистор), 13+16=HF-PWM силовая часть
17 HF PWM микроконтроллер
18 соединяющий резистор
19 соединяющий резистор
L фазный провод сети переменного напряжения
L' нагрузочный провод, подготовленная фаза
N нулевой провод сети переменного напряжения
t время
L'
Uвыходное переменное напряжение между нагрузочным проводом L' и нулевым проводом N