СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ДЕЙТАГРАММ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ ОДНИМ МОДУЛЕМ НАГРУЗКИ ИЛИ ЛАМПЫ ПО НАГРУЗОЧНОЙ ЛИНИИ

Изобретение относится к способу генерирования дейтаграмм для управления по меньшей мере одним модулем нагрузки или лампой по нагрузочной линии.

Обычные системы для управления яркостью ламп/средств освещения базируются, как правило, на начальном значении («надрезе») или интервале («срезе») фазы питающего напряжения. Существует потребность/необходимость передавать дополнительные информации от управляющего устройства или регулятора света к средству освещения, например значение цветовой температуры. Важным критерием при передаче является при этом совместимость с существующими обычными средствами освещения, такими как лампы накаливания, которые при их функционировании не должны подвергаться помехам, то есть управляющее устройство (регулятор света) должно быть в наибольшей степени совместимым с существующими средствами освещения и сценариями подключения, такими как, в особенности:

- лампы накаливания на сетевом напряжении,

- лампы накаливания на трансформаторе с ферромагнитным сердечником на 12 В,

- лампы накаливания на электронном трансформаторе на 12 В.

В основе изобретения лежит задача предложить оптимизированный способ генерирования дейтаграмм для управления по меньшей мере одним модулем нагрузки или лампой по нагрузочной линии, при котором учитывается тип нагрузки.

Эта задача в соответствии с изобретением решается способом генерирования дейтаграмм для управления по меньшей мере одним модулем нагрузки или лампой посредством управляющего устройства, подключенного к фазному проводнику источника питающего напряжения, по нагрузочной линии, причем осуществляется передача информации о яркости посредством надреза фазы или среза фазы, и причем этот сигнал напряжения модулируется дейтаграммой,

- причем передается бит данных на каждую полную волну напряжения,

- причем информации или биты данных накладываются посредством симметричной манипуляции угла начального значения фазы или угла интервала фазы φ на угол сдвига Δ,

- так что следующие друг за другом полуволны напряжения нарезаются либо при φ-Δ/φ+Δ, либо при φ+Δ/φ-Δ, в зависимости от того, передается ли бит данных «1» или бит данных «0».

В то время как приведенный выше способ пригоден, в особенности при емкостных типах нагрузки, при индуктивных типах нагрузки вторая полуволна напряжения бита данных соответственно повторяется в инвертированной форме, за счет чего длина бита данных дает соответственно три полуволны напряжения, так что следующие друг за другом волны напряжения нарезаются либо при φ-Δ/φ+Δ/φ+Δ, либо при φ+Δ/φ-Δ/φ-Δ, в зависимости от того, передается ли бит данных «1» или бит данных «0».

Если имеет место омический тип нагрузки, то эта задача в соответствии с изобретением решается посредством способа генерирования дейтаграмм для управления по меньшей мере одним модулем нагрузки или лампой посредством управляющего устройства, подключенного к фазному проводу источника питающего напряжения, по нагрузочной линии, причем осуществляется передача информации о яркости посредством начального значения (надреза) фазы или интервала (среза) фазы, и причем этот сигнал напряжения модулируется дейтаграммой,

- причем передается бит данных на каждую полную волну напряжения,

- причем информации характеризуются короткой пачкой импульсов с шириной угла сдвига Δ вокруг угла надреза фазы или угла сдвига фазы φ одной полуволны напряжения, а также немодулированной нарезанной или срезанной другой полуволной напряжения,

- причем пачка начинается при φ-Δ/2 и заканчивается при φ+Δ/2.

Достижимые с помощью изобретения преимущества заключаются, в особенности, в том, что дополнительная передача дейтаграмм по нагрузочной линии не имеет или имеет лишь незначительные негативные влияния на поведение обычных средств освещения, таких как лампы накаливания, например колебания яркости. Предложенные способы модуляции для цифровой передачи данных по нагрузочной линии в зависимости от наличия емкостного, индуктивного или омического типа нагрузки могут модифицироваться, чтобы таким образом всегда иметь возможность выбора оптимального способа в отношении надежной и по возможности свободной от помех передачи.

Целесообразные варианты выполнения изобретения характеризуются в зависимых пунктах.

Изобретение далее поясняется со ссылками на примеры выполнения, представленные на чертежах, на которых показано следующее:

Фиг.1 - принципиальная схема для цифровой передачи данных между управляющим устройством (регулятором света) и модулем нагрузки (лампой, включая средство освещения),

Фиг.2 - структура дейтаграммы согласно первому способу генерирования дейтаграмм,

Фиг.3 - структура дейтаграммы согласно второму способу генерирования дейтаграмм,

Фиг.4 - структура дейтаграммы согласно третьему способу генерирования дейтаграмм,

Фиг.5 - структура дейтаграммы согласно четвертому способу генерирования дейтаграмм,

Фиг.6 - принципиальная структура модуля нагрузки,

Фиг.7 - первый сценарий подключения с по меньшей мере одним подключенным к управляющему устройству LED,

Фиг.8 - второй сценарий подключения с по меньшей мере одной подключенной к управляющему устройству лампой накаливания,

Фиг.9 - третий сценарий подключения с по меньшей мере одним подключенным к управляющему устройству LED и с по меньшей мере одной подключенной к управляющему устройству лампой накаливания,

Фиг.10 - четвертый сценарий подключения с по меньшей мере одним подключенным к управляющему устройству через трансформатор с ферромагнитным сердечником LED,

Фиг. 11 - пятый сценарий подключения с по меньшей мере одной подключенной к управляющему устройству через трансформатор с ферромагнитным сердечником лампой накаливания,

Фиг. 12 - шестой сценарий подключения с по меньшей мере одним подключенным к управляющему устройству через трансформатор с ферромагнитным сердечником LED и с по меньшей мере одной лампой накаливания,

Фиг. 13 - седьмой сценарий подключения с по меньшей мере одним подключенным к управляющему устройству через электронный трансформатор LED,

Фиг. 14 - восьмой сценарий подключения с по меньшей мере одной подключенной к управляющему устройству через электронный трансформатор лампой накаливания,

Фиг. 15 - девятый сценарий подключения с по меньшей мере одним подключенным к управляющему устройству через электронный трансформатор LED и с по меньшей мере одной лампой накаливания.

На фиг. 1 показана принципиальная схема для цифровой передачи данных между управляющим устройством или регулятором света и модулем нагрузки или лампой, включая средство освещения, по нагрузочной линии. Можно видеть управляющее устройство (регулятор света) 1, которое через канал 9 передачи нагрузочную линию соединено с нагрузочным модемом (лампа, включая средство освещения, и силовой каскад + управляющая схема) 5. Для передачи данных источник 2 данных управляющего устройства 1 осуществляет ввод через кодер 3 канала и модулятор 4 в канал 9 передачи, в то время как приемник 8 данных модуля 5 нагрузки принимает передаваемые дейтаграммы через демодулятор 6 и декодер 7 канала для оценки переданных дейтаграмм. При этом осуществляется цифровая передача дейтаграмм через нагрузочную линию L' между управляющим устройством (регулятором света) 1 и различными по их мощности управляемыми (способными к регулированию света) нагрузками или средствами освещения. Посредством цифровой передачи данных должно инициироваться, например, изменение коррелированной цветовой температуры (ССТ) средства освещения. Таким образом, за счет соответствующего управления управляющим устройством 1 можно осуществлять переходы, например, между теплым белым и холодным белым светом.

Передача основывается на переменном напряжении, надрезанном и срезанном по фазе (импульсно-фазовое управление) с помощью управляющего устройства 1. Этот сигнал напряжения модулируется передаваемой дейтаграммой, причем осуществляется манипуляция надреза (начальной) фазы или среза фазы. Собственно структура дейтаграммы, ее длина и содержание в этой связи не имеют никакого значения. Дейтаграммы нужно передавать только в случае обслуживания посредством конечного пользователя, в случае автоматического управления или при включении системы. Так как не требуется непрерывно передавать данные, то вызванное передачей дейтаграмм незначительное помеховое напряжение и незначительное влияние на обычные средства освещения, такие как лампы накаливания, остается в допустимых границах.

На последующих фиг.7-15 показаны различные принципиально возможные сценарии подключения для модулей нагрузки или ламп, причем во всех случаях управляющее устройство 1 соединено своим первым выводом с фазным проводником L источника 18 питающего напряжения, и своим вторым выводом в форме нагрузочной линии L' прямо или косвенно через трансформатор 21 с ферромагнитным сердечником или электронный трансформатор 22 с первым выводом по меньшей мере одного модуля нагрузки. Второй вывод по меньшей мере одного модуля нагрузки прямо или косвенно через трансформатор 21 с ферромагнитным сердечником или электронный трансформатор 22 соединен с нейтральным проводником или нулевым проводником N источника 18 питающего напряжения.

На фиг.7 показан первый сценарий подключения с по меньшей мере одним подключенным к управляющему устройству 1 LED, причем между нагрузочной линией L' и нейтральным проводником N подключены одиночный LED 19 или несколько LED.

На фиг.8 показан второй сценарий подключения с по меньшей мере одной подключенной к управляющему устройству 1 лампой накаливания, причем между нагрузочной линией L' и нейтральным проводником N подключены единственная лампа накаливания 20 или несколько ламп накаливания.

На фиг.9 показан третий сценарий подключения с по меньшей мере одним подключенным к управляющему устройству 1 LED и по меньшей мере одной подключенной к управляющему устройству лампой накаливания, причем между нагрузочной линией L' и нейтральным проводником N подключены по меньшей мере один LED 19 и по меньшей мере одна лампа накаливания 20 (смешанная нагрузка).

Обсужденные со ссылкой на фиг.7, 8, 9 сценарии подключения далее обозначаются под определением «нагрузка на сетевом напряжении».

В сценариях подключения согласно фиг.10-12 трансформатор 21 с ферромагнитным сердечником через свою первичную обмотку включен между нагрузочной линией L' и нейтральным проводником N источника питающего напряжения.

На фиг.10 показан четвертый сценарий подключения с по меньшей мере одним LED, подключенным к управляющему устройству 1 через трансформатор с ферромагнитным сердечником, причем по меньшей мере один LED 19 подключен к вторичной обмотке трансформатора 21 с ферромагнитным сердечником.

На фиг.11 показан пятый сценарий подключения с по меньшей мере одной лампой накаливания, подключенной к управляющему устройству 1 через трансформатор с ферромагнитным сердечником, причем по меньшей мере одна лампа накаливания 20 подключена к вторичной обмотке трансформатора 21 с ферромагнитным сердечником.

На фиг.12 показан шестой сценарий подключения с по меньшей мере одним LED, подключенным к управляющему устройству 1 через трансформатор с ферромагнитным сердечником, и с по меньшей мере одной лампой накаливания, причем по меньшей мере один LED 19 и по меньшей мере одна лампа накаливания подключены к вторичной обмотке трансформатора 21 с ферромагнитным сердечником (смешанная нагрузка).

Обсужденные со ссылкой на фиг.10, 11, 12 сценарии подключения далее обозначаются под определением «нагрузка на трансформаторе с ферромагнитным сердечником».

В сценариях подключения согласно фиг.13-15 электронный трансформатор 22 на первичной стороне включен между нагрузочной линией L' и нейтральным проводником N источника 18 питающего напряжения.

На фиг.13 показан седьмой сценарий подключения с по меньшей мере одним LED, подключенным к управляющему устройству 1 через электронный трансформатор, причем по меньшей мере один LED 19 подключен к клеммам на вторичной стороне электронного трансформатора 22.

На фиг.14 показан восьмой сценарий подключения с по меньшей мере одной лампой накаливания, подключенной к управляющему устройству 1 через электронный трансформатор, причем по меньшей мере одна лампа накаливания 20 подключена к клеммам на вторичной стороне электронного трансформатора 22.

На фиг.15 показан девятый сценарий подключения с по меньшей мере одним LED, подключенным к управляющему устройству 1 через электронный трансформатор, и с по меньшей мере одной лампой накаливания, причем по меньшей мере один LED 19 и по меньшей мере одна лампа накаливания 20 подключены к клеммам на вторичной стороне электронного трансформатора 22 (смешанная нагрузка).

Обсужденные со ссылкой на фиг.13, 14, 15 сценарии подключения далее обозначаются под определением «нагрузка на электронном трансформаторе».

На фиг.6 показана принципиальная структура модуля нагрузки. Модуль 11 нагрузки в показанном примере выполнения содержит LED 12, источник (сетевого) питания 13, силовой каскад 14, например возбудитель LED, управляющую схему 15, например управление LED, и декодер 16 (например, в форме микроконтроллера) в качестве схемы приемника. Разумеется, может также предусматриваться лампа накаливания вместо LED 12. Декодер 16 оценивает входящий аналоговый сигнал напряжения или тока, например приложенное к модулю 11 нагрузки напряжение U_Load, чтобы таким образом принимать формируемые управляющим устройством 1 дейтаграммы, которые в управляющей схеме 15 преобразуются в соответствующие управляющие сигналы для силового каскада 14, то есть из принятого сигнала генерируется битовый поток, который затем преобразуется в управляющие команды для функционирования силового каскада 14. Это может, например, представлять собой требование изменить цветовую температуру подключенной нагрузки.

Блок 13 питания служит для энергопитания силового каскада 14, управляющей схемы 15 и декодера 16. Напряжение U_Load соответствует при сценариях подключения согласно фиг.7-9, например, напряжению между нагрузочной линией L' и нейтральным проводником N.

На фиг.2-5 показаны различные дейтаграммы, причем соответственно представлена временная характеристика напряжения U_Load на нагрузке или лампе, т.е. абсцисса показывает время t, в то время как ордината показывает напряжение U_Load.

На фиг.2 представлена структура дейтаграммы согласно первому способу генерирования дейтаграмм. Дейтаграмма состоит из начальных битов “S” начальной последовательности и из информационных битов “I” с представлением отдельных битов данных со значением “1” или значением “0”, кратко выражаясь, бита данных “1” и бита данных “0”. Длина бита данных или длительность бита для отдельного бита данных соответствует полной волне напряжения (положительная полуволна напряжения + отрицательная полуволна напряжения) питающего напряжения, т.е. 20 мс. Начальный бит “S” характеризуется надрезанной положительной полуволной напряжения, а также не находящейся под напряжением отрицательной полуволной напряжения. Для битов данных информационной последовательности

- значение “1” соответствует полной волне напряжения, равномерно надрезанной в положительной и в отрицательной полуволне напряжения,

- значение “0” соответствует не находящейся под напряжением полной волне напряжения.

В показанной на фиг.2 для примера дейтаграмме начальная последовательность имеет длину трех полных волн напряжения. Уровень яркости в показанном примере установлен на 50% (угол надреза фазы φ=90°).

Преимущество первого способа генерирования дейтаграмм согласно фиг.2 состоит в том, что он подходит для передачи информации или битов данных для всех сценариев подключения, показанных выше на фиг.7-15 (также для смешанной нагрузки). Однако ввиду несимметричного управления возникают эффекты насыщения при использовании трансформаторов с ферромагнитным сердечником. Результатом этого является сильный импульс тока. Кроме того, переход через нуль напряжения на средстве освещения сдвигается, что затрудняет синхронизацию в декодере 16. Также недостатком для приема данных при модуле нагрузки являются вызванные насыщением трансформатора с ферромагнитным сердечником «выбросы», то есть нежелательные пики тока. При использовании ламп накаливания 20 в качестве средства освещения во время передачи дейтаграммы можно наблюдать мигание (колебания яркости).

На фиг.3 показана структура дейтаграммы согласно второму способу генерирования дейтаграмм. При этом способе генерирования дейтаграмм не предусмотрено никакой начальной последовательности. Информация или биты данных выражаются через симметричное переключение угла надреза (начального угла) фазы (или угла среза фазы) φ на угол сдвига ±Δ, который лежит предпочтительно в пределах 1,5°... 20°. Если угол надреза фазы или угол среза фазы уровня яркости лежит при значении φ, то при передаче бита данных «1» положительная полуволна напряжения нарезается при φ-Δ, а отрицательная полуволна напряжения - при φ+Δ. Для бита данных «0» справедливо противоположное, то есть при передаче бита данных «0» положительная полуволна напряжения разрезается при φ+Δ, а отрицательная полуволна напряжения - при φ-Δ. Как в первом способе генерирования дейтаграмм, передается один бит данных на каждую полную волну напряжения.

Уровень яркости в показанном примере согласно фиг.3 установлен на 50% (угол надреза фазы φ=90°).

Преимущество второго способа генерирования дейтаграмм состоит в том, что дейтаграммы могут передаваться как через трансформатор 21 с ферромагнитным сердечником, так и через электронный трансформатор 22. Правда, при большем угле сдвига ±Δ (например, Δ=18°), при использовании ламп накаливания в качестве средства освещения заметно мигание (колебания яркости). Если угол сдвига Δ уменьшается, то мигание также снижается, правда, при уменьшенном угле сдвига Δ передача дейтаграмм также становится все более ненадежной. Подобно тому, как и в первом способе генерирования дейтаграмм согласно фиг.2, также во втором способе генерирования дейтаграмм согласно фиг.3 возникает насыщение трансформатора 21 с ферромагнитным сердечником, что приводит к нежелательным выбросам тока и затрудняет оценку дейтаграмм.

На фиг.4 представлена структура дейтаграммы согласно третьему способу генерирования дейтаграмм. Первый и второй способы генерирования дейтаграмм имели недостаток, состоящий в том, что трансформатор 21 с ферромагнитным сердечником переходит в насыщение, что приводит к нежелательным выбросам тока и смещает переход через нуль напряжения. Это смещение затрудняет измерение угла надреза фазы (или угла среза фазы) φ и тем самым повышает подверженность к ошибкам. В третьем способе генерирования дейтаграмм этот эффект снижается за счет того, что вторая полуволна напряжения бита данных повторяется в инвертированной форме. За счет этого получается длина бита данных, равная трем полуволнам напряжения:

- при бите данных «1» надрезаются три полуволны напряжения, таким образом, при φ-Δ, φ+Δ, φ+Δ,

- при бите данных «0» надрезаются три полуволны напряжения, таким образом, при φ+Δ, φ-Δ, φ-Δ.

В этом третьем способе генерирования дейтаграмм также не предусмотрена никакая начальная последовательность. За счет предложенного подхода поддерживается ранний выход из состояния насыщения трансформатора 21 с ферромагнитным сердечником, так как на границе от одного бита данных к следующему биту данных имеет место симметричное управление трансформатором с ферромагнитным сердечником. Уровень яркости в показанном примере согласно фиг.4 установлен на 50% (угол надреза фазы φ=90°).

Преимущество третьего способа генерирования дейтаграмм состоит, таким образом, в том, что эффекты насыщения на границах битов данных сокращаются. Разумеется, за счет увеличенной длины битов данных может передаваться меньше информации или битов данных внутри того же самого промежутка времени по сравнению с первым и вторым способами генерирования дейтаграмм. Кроме того, энергетический баланс дейтаграммы не уравновешивается обязательным образом. Если, например, передаются исключительно биты данных «0» или исключительно биты данных «1», то результирующая яркость средства освещения нежелательным образом повысилась бы или снизилась.

На фиг.5 представлена структура дейтаграммы согласно четвертому способу генерирования дейтаграмм. Целью этого четвертого способа генерирования дейтаграмм является дальнейшее снижение мигания (колебаний яркости) ламп накаливания на сетевом напряжении во время передачи дейтаграмм. Вновь передается один бит данных на полную волну напряжения:

- Бит данных «1» характеризуется короткой пачкой В импульсов вокруг угла надреза (начального угла) фазы или угла среза фазы φ положительной полуволны напряжения, а также не модулированной надрезанной или срезанной отрицательной полуволны напряжения.

- Бит данных «0» характеризуется не модулированной надрезанной или срезанной положительной полуволной напряжения, а также короткой пачкой В импульсов вокруг угла надреза фазы или угла среза фазы φ отрицательной полуволны напряжения.

- Пачка начинается при φ-Δ/2 и заканчивается при φ+Δ/2.

- Частота пачки выбирается таким образом, что используемый трансформатор 21 с ферромагнитным сердечником не переходит в насыщение, например, 36 кГц.

При этом третьем способе генерирования дейтаграмм также не предусмотрена начальная последовательность. Уровень яркости в показанном примере согласно фиг.5 установлен на 25% (угол надреза фазы φ=135°).

В зависимости от нагрузки предпочтительным оказывается способ генерирования дейтаграмм иной, чем объясненные выше:

При этом является несущественным, идет ли речь о LED или лампах накаливания в качестве средства освещения. Уже известный для обычных универсальных регуляторов света подход, состоящий в том, чтобы разделять типы нагрузок на омические типы нагрузок R, индуктивные типы нагрузок L и емкостные типы нагрузок C, и выбирать подходящий режим работы - начальную фазу или срез фазы - в зависимости от наличия одного из этих типов нагрузок, принимается и распространяется на цифровую передачу данных или передачу дейтаграмм. Наряду с выбором режима работы передача дейтаграмм выбирается таким образом, что помеховые эффекты, в частности насыщение трансформатора с ферромагнитным сердечником и мигание, оказываются по возможности незначительными. Смешанные нагрузки должны удовлетворять здесь краевым условиям, состоящим в том, что они должны иметь аналогично поддерживаемый импеданс R, L или C. LED на сетевом напряжении должен, таким образом, вести себя омически, как лампа накаливания, чтобы результирующая полная нагрузка или смешанная нагрузка могла классифицироваться как омическая.

Выше описание фокусировалось на модуляции переменных сигналов с надрезом фазы. Предложенные способы генерирования дейтаграмм могут быть реализованы также для модуляции переменного сигнала со срезом фазы.

Для всех вышеописанных форм выполнения справедливо то, что во время стартовой фазы предпочтительно выполняется распознавание нагрузки, чтобы, прежде всего, обнаружить, имеет ли место омический, или индуктивный, или емкостной тип нагрузки, чтобы соответственно выбрать наиболее предпочтительный способ генерирования дейтаграмм.

Передача данных должна осуществляться однонаправленным образом на все средства освещения. Часть передаваемой в форме битов данных последовательности данных формируется/интерпретируется как адрес, так что таким способом средства освещения могут рассматриваться/устанавливаться индивидуально - «одноадресная передача» - или как группа - «групповая передача». Если одинаковое поведение желательно для всех средств освещения, то может также быть реализована «широковещательная передача». Однонаправленная передача имеет следствием то, что не существует никакого обратного канала, через который подключенные средства освещения могли бы сообщить по обратной связи о возможных ошибках передачи.

В общем случае известно, например, из ЕР 618667 В1, что стартовая фаза реализуется задержкой включения нагрузки (задержка зажигания) и заканчивается при переходе через нуль переменного напряжения (питающего напряжения), таким образом, в конце соответствующей полуволны переменного напряжения. При срезе фазы не происходит никакой задержки зажигания, так что участок переключения управляющего полупроводника последовательно переключается уже в начале полуволны, но отключается еще перед его концом. Для того чтобы избежать высоких отключающих напряжений, индуктивные нагрузки должны эксплуатироваться при использовании надреза (начальной) фазы, а чтобы избежать высоких токов включения, следует использовать при емкостных нагрузках срез фазы.

СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

1 управляющее устройство (регулятор света)

2 источник данных

3 кодер канала

4 модулятор

5 модуль нагрузки (лампа, включая средство освещения)

6 демодулятор

7 декодер канала

8 приемник данных

9 канал передачи (нагрузочная линия)

10 -

11 модуль нагрузки

12 LED

13 блок (сетевого) питания

14 силовой каскад (возбудитель LED)

15 управляющая схема (управление LED)

16 декодер

17 -

18 источник питающего напряжения

19 LED в качестве средства освещения

20 лампа накаливания в качестве средства освещения

21 трансформатор с ферромагнитным сердечником

22 электронный трансформатор

В пачка

I биты информации информационной последовательности, бит данных «1» или «0»

L фазный проводник источника питающего напряжения

L' нагрузочная линия

N нейтральный проводник (нулевой проводник) источника питающего напряжения

S начальный бит начальной последовательности

t время

U_Load напряжение на нагрузке или лампе

Δ угол сдвига

φ начальный угол фазы или угол среза фазы