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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von
Leuchtmitteln, insbesondere Licht emittierenden Dioden in einem
Bediengerät
eines Kraftfahrzeuges, bestehend aus mindestens einem Leuchtmittel,
das in einen Schaltkreis mit einem Halbleiter-Bauelement eingebunden ist und einem
Mikroprozessor, insbesondere mit einem integrierten nicht flüchtigen
Speicher, wobei der Mikroprozessor mindestens zwei pulsweitenmodulierte
Signale erzeugt, wobei die pulsweitenmodulierten Signale über eine
Logik mit der Steuerelektrode des Halbleiter-Bauelements verschaltet
sind, wobei die Logik vom Mikroprozessor mit einem zusätzlichen Steuersignal
beaufschlagbar ist.
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Bedienelemente
in Kraftfahrzeugen sind üblicherweise
mit einer Beleuchtung versehen. Um die Beleuchtung oder besser Hinterleuchtung
der Bedienelemente und Anzeigen in Bezug auf die äußeren Lichteinwirkungen
anzupassen, ist die Beleuchtung einstellbar. Dabei wird einerseits
zwischen einer Tag- und einer Nachtbeleuchtung und andererseits
zwischen einer Such- und einer Funktionsbeleuchtung unterschieden.
Je nach Ausstattungsvariante des Kraftfahrzeuges ist es dabei ebenfalls
bekannt, diese unterschiedlichen Beleuchtungsarten mittels eines fotosensitiven
Sensors an das unmittelbar auf das Bedienelement fallende Licht
anzupassen. Zur Ansteuerung der Leuchtmittel sind dabei unterschiedliche
Verfahren bekannt.
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Üblicherweise
werden heute in Bedieneinrichtungen als Leuchtmittel Licht emittierende
Dioden (LED) eingesetzt. Es besteht dabei das Bestreben, ein harmonisches,
gleichmäßiges Ausleuchtungserscheinungsbild
der Bedieneinrichtung zu erreichen. LEDs oder Lampen hingegen weisen
in ihrer Helligkeit sehr große
Streubreiten auf, so dass die im Bedienelement von der Fahrzeugindustrie
geforderten Toleranzen ohne weitere Maßnahmen oft nicht erreichbar
sind. Aus der
DE 196
02 891 A1 ist es daher bekannt, dass nach der Herstellung
der Bedieneinrichtung in Abhängigkeit
von der Helligkeit der Leuchtmittel ein Korrekturfaktor bestimmt
wird, mittels welchem die Steuerspannung oder der Steuerstrom des
Leuchtmittels eingestellt wird.
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Damit
die dargestellten Beleuchtungsarten gegebenenfalls sogar kontinuierlich
einstellbar und steuerbar sind, ist es aus der genannten Druckschrift bekannt,
die Leuchtmittel mittels eines Halbleiter-Bauelementes und im besonderen
mittels eines pulsweitenmodulierten Signals (PWM) anzusteuern. Mit
Hilfe eines am Ausgang eines Mikroprozessors anliegenden PWM-Signals
wird beispielsweise ein Transistor getaktet angesteuert, wodurch
die Helligkeit der Leuchtdioden sehr genau einstellbar ist. Durch
eine Modulation der Pulsweite kann somit die Helligkeit des Lichtes
des Leuchtmittels verändert werden,
wobei das Tastverhältnis,
d. h. das Verhältnis
von Impulsdauer zur Periodendauer, ein direktes Maß für die Helligkeit
des Leuchtmittels darstellt.
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Um
die Ausleuchtung eines kombinierten Such- und Funktionssymbols über ein
PWM-Signal einer Steuereinrichtung, die beispielsweise ein Mikrocomputer
sein kann, in Abhängigkeit
von der Sonneneinstrahlung regeln zu können, ist es aus der
DE 102 09 622 A1 bekannt,
mittels eines optoelektrischen Sensors die Helligkeit unmittelbar
im Bereich des Bedienelementes zu ermitteln. Der Einfluss einer bei
hohen Strömen,
zum Beispiel bei einer Eigenerwärmung
der LEDs, auftretenden Nichtlinearität der Licht-Strom-Kennlinie
der jeweiligen LED kann hierbei mittels einer in einer Software
einer Ansteuerung abgelegten Kennlinie ausgeglichen werden, wobei das
PWM-Verhältnis
vorzugsweise angepasst wird.
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Aus
der noch unveröffentlichten
Patentanmeldung
DE 102 54 741 ist
es bekannt, ein pulsweitenmoduliertes Signal für die Ansteuerung von LEDs im
Tastverhältnis
zu beeinflussen. Dazu wird das im Mikrocomputer erzeugte PWM-Signal
in einer Schaltung mit logischen Verknüpfungen, in der Weise beeinflusst,
das nur jeder zweite Impuls des PWM-Signals an das Leuchtmittel übertragen
wird.
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Aus
der
US 6,677,710 B2 ist
es bekannt, zwei PWM-Signale, ein hochfrequentes PWM-Signal eines Oszillators
und ein niederfrequentes PWM-Signal einer Logik, zu mixen und zur
Ansteuerung eines Halbleiterbauelementes für ein Leuchtmittel zu verwenden,
wobei die Logik von einem zusätzlichen
Signal angesteuert wird. Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
können
hierbei alle Funktionen auch in einem Mikroprozessor programmiert
werden.
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Aus
der
DE 103 52 054
A1 ist eine Fahrzeugrichtungsanzeige bekannt, in der eine
Versorgungsspannung einer Batterie erfasst wird, und, wenn ein Richtungsanzeigelichtschalter
in den Zustand eingeschaltet wird, ein pulsbreitenmoduliertes Signal
ausgegeben wird. Dieses pulsbreitenmodulierte Signal wird durch
Pulsbreitenmodulation eines Blinksignals zum Ansteuern eines Richtungsanzeigelichtes
zum Blinken mit einem Tastverhältnis
auf der Grundlage der erfassten Versorgungsspannung der Batterie
angesteuert, wobei das Tastverhältnis, bei
welchem die Versorgungsspannung der Batterie einen hohen Wert aufweist,
kleiner wird als dasjenige, bei welchem die Versorgungsspannung
der Batterie einen niedrigeren Wert aufweist. Das Richtungsanzeigelicht
wird daraufhin zum Blinken auf der Grundlage des ausgegebenen Signals
angesteuert.
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Ein
elektrischer Schalter für
ein Kraftfahrzeug ist aus der
DE 198 45 135 A1 bekannt. Der Schalter besitzt
ein Kontaktsystem mit elektrischen Anschlüssen, von denen erste elektrische
Anschlüsse
zum Anlegen einer Leistungsspannung für einen hohen Leistungsstrom
und zweite elektrische Anschlüsse
zum Anlegen einer Signalspannung für einen niedrigeren Signalstrom
vorhanden sind. Wahlweise wird bei Bedarf ein Anschluss zur Zuführung von
Leistungsstrom über
die ersten elektrischen Anschlüsse
und/oder von Signalstrom über
die zweiten elektrischen Anschlüsse
ermöglicht.
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Aus
der
DE 198 48 925
A1 ist ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung
von Leuchtdioden bekannt. Um über
einen breiten Helligkeitsbereich eine homogene und gleichmäßige Helligkeitsverteilung
der Anzeige zu gewährleisten,
wird der Flussstrom durch die Leuchtdioden nur bis zu einem vorbestimmten
unteren Grenzwert verringert und zur weiteren Reduzierung der Helligkeit
der Flussstrom getaktet, wobei der Betrag des Flussstromes gleich
oder größer als
der untere Grenzwert ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit minimalen konstruktiven
Aufwand eine Schaltung zu entwickeln, mit der es möglich ist,
eine Such- und Funktionsbeleuchtung über lediglich eine LED zu realisieren
und mit der weiterhin eine sehr genaue Einstellung der Leuchtmittel
in einem Bediengerät
ermöglicht
wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die pulsweitenmodulierten Signale eine gleich lange Periodendauer,
aber ein unterschiedliches Tastverhältnis aufweisen und dass das zusätzliche
Steuersignal zur Umschaltung zwischen den pulsweitenmodulierten
Signalen einsetzbar ist. Durch den erfindungsgemäßen Gedanken ist nun die Möglichkeit
geschaffen, die Intensität
von einem oder mehreren Leuchtmitteln sehr genau einstellen zu können. Es
kann somit eine Realisierung von Such- und Funktionsbeleuchtung über jeweils
eine einzige LED stattfinden. Wurden bis heute für die Ausleuchtung eines Bedienelementes
zum Beispiel zwei in ihrer Helligkeit stark abweichende LEDs eingesetzt, um
die Such- und Funktionsbeleuchtung zu realisieren, so kann mit Hilfe
des erfindungsgemäßen Gedankens
nun jede einzelne LED zur Suchbeleuchtung sowie auch zur Funktionsbeleuchtung
verwendet werden. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dann, wenn Anzeige-Ketten
verwendet werden. Wird beispielsweise eine Anzeigen-Kette für eine Temperaturskala
verwendet, so muß hinter jeden
Skalenwert lediglich eine LED angeordnet werden. Diese direkte Integrierbarkeit
in die Anzeige-Ketten führt
wiederum zu einer Verkleinerung der Bedienelemente. Die hier beispielhafte
beschriebene Temperaturskala kann somit auch bei unterschiedlichen
Umgebungsbedingungen, zum Beispiel bei Auflicht, mit einer Suchbeleuchtung,
die individuell einstellbar ist, und über die gleichen Leuchtmittel
mit einer ebenfalls steuerbaren Funktionsbeleuchtung versehen werden.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
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1 den
prinzipiellen Aufbau einer Schaltung zur erfindungsgemäßen Ansteuerung
eines Leuchtmittels,
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2 einen
möglichen
Verlauf der Spannungen in der Schaltung und des Stromes durch die Leuchtmittel
und
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3 einen
weiteren möglichen
Verlauf der Spannungen durch die Schaltung und den Verlauf des Stromes
durch das Leuchtmittel.
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Die
Schaltung gemäß der 1 stellt
eine prinzipielle Ausführungsform
der Erfindung dar. Die Zeichnung dient dabei dazu, das Wesentliche
des Erfindungsgedankens wiederzugeben. Es wird ausdrücklich darauf
hingewiesen, dass die 1 lediglich ein Ausführungsbeispiel
zur Realisierung mit den Mitteln nach der Erfindung darstellt, dies
impliziert natürlich
auch andere Schaltungsanordnungen, die einen im wesentlichen gleichen
Aufbau beinhalten, die aber einen anderen Schaltungsaufbau besitzen.
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Das
in der 1 wiedergegebene Ausführungsbeispiel besteht aus
einem Mikrocomputer 1 zur Erzeugung eines pulsweitenmodulierten
Signals einem System mit integrierter Logik 2, einem Halbleiter-Bauelement 3 und
einem Leuchtmittel 4. Der Mikrocomputer 1 beinhaltet
den Oszillator 5 als Zeitbasis zur Takterzeugung. Dabei
werden beide pulsweitenmodulierten Signale (PWM) aus der gleichen
Zeitbasis heraus generiert. Mittels der im Oszillator 5 erzeugten
Frequenz wird im Mikrocomputer 1 ein erstes pulsweitenmoduliertes
Signal 6 für
die Suchbeleuchtung und ein zweites pulsweitenmoduliertes Signal 7 für die Funktionsbeleuchtung
erzeugt. Der Mikrocomputer 1 besitzt weiterhin eine Schnittstelle
mit Ausgängen 8, über die
der Bediener in der Lage ist, das Leuchtmittel 4 zwischen
einer Suchbeleuchtung und einer Funktionsbeleuchtung umzuschalten.
An den Mikrocomputer 1 ist zur weiteren Komfortsteigerung
und Regelung der Helligkeit des Leuchtmittels 4 ein fotosensitiver
Sensor 9, wobei bevorzugt ein Auflichtsensor mit Signalaufbereitung
eingesetzt wird, angeschlossen. Mittels dieses fotosensitiven Sensors 9 kann
zum Beispiel die Helligkeit einer Funktionsbeleuchtung an die Umgebungshelligkeit
adaptiv angeglichen werden. Ein solcher fotosensiti ver Sensor 9 ist
zum Beispiel dann sinnvoll, wenn das Leuchtmittel 4 in
das Bedienelement integriert ist einer direkten Sonneneinstrahlung
ausgesetzt ist. Bei direkter Sonneneinstrahlung, kann es für den Bediener
eines Bedienelementes in einem Kraftfahrzeug bei eingeschalteter
Funktionsbeleuchtung sehr schwer sein die Funktionsbeleuchtung zu
erkennen. In diesem Fall kann mittels des Auflichtsensors 9 ein adaptives
Nachregeln der Helligkeit des Leuchtmittels 4 erfolgen
und dem Bediener somit die zur Verfügung stehende Funktion erkennbar
machen.
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Dem
Mikrocomputer 1 ist ein System 2 mit integrierter
Logik nachgeschaltet. In diesem Ausführungsbeispiel mit der dargestellten
Schaltungsanordnung besteht das System 2 aus einer UND-Verknüpfung 10 und
einer ODER-Verknüpfung 11 über die
die beiden Signale 6, 7 sowie das Ausgangssignal
für die Bedienersteuerung 8 (S.
4, Z. 17) mit dem Eingangssignal des Halbleiter-Bauelement 3 verknüpft sind. Über das
Halbleiter-Bauelement 3 ist das Leuchtmittel 4 beschaltet.
Das Leuchtmittel 4 wiederum ist einerseits mit dem Bordnetz,
zum Beispiel der Klemme 30, verbunden und andererseits
mit dem Halbleiter-Bauelement 3, so dass das Leuchtmittel 4 im
eingeschalteten Zustand Licht L emittieren kann. Optional ist vor
das Leuchtmittel 4 ein Vorwiderstand 12 schaltbar.
Je nach verwendetem Halbleiter-Bauelement 3 kann
in die Zuleitung zwischen Bordnetz Klemme 30 und Leuchtmittel 4 ein
Spannungsregler 13 geschaltet sein. Wird beispielsweise
als Halbleiter-Bauelement 3 ein Halbleiterschalter, zum
Beispiel in Form eines Transistors, verwendet, dann ist ein Spannungsregler 13 in
der Zuleitung zum Leuchtmittel 4 notwendig, um die Spannungsschwankungen des
Bordnetzes an der Klemme 30 zu eliminieren. Im Falle einer
Verwendung einer Halbleiter-Stromquelle 3 ist der Spannungsregler 13 nicht
notwendig, es ist lediglich optional ein Vorwiderstand 12 einsetzbar.
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Aus
dem im Oszillator 5 erzeugten Takt, der gegebenenfalls
noch geteilt werden kann, wird im Mikrocomputer ein der Suchbeleuchtung
entsprechendes PWM-Signal 6 erzeugt und als Spannung US an die ODER-Verknüpfung 11 der Logik
weitergeleitet. Ein der Suchbeleuchtung entsprechendes PWM-Signal
US ist in 2 im zeitlichen
Verlauf wiedergegeben. Ist lediglich die Suchbeleuchtung aktiviert,
so wird über
die ODER-Verknüpfung
mittels des PWM-Signals 6 beziehungsweise der Spannung
US über
das Halbleiter-Bauelement 3 ein Strom ILED für das Leuchtmittel 4 eingestellt.
Der zeitliche Verlauf des Stromes ILED über die
Zeit bis zum Zeitpunkt t1 ist in der 2 grafisch
darstellt. Über
den Oszillator 5 im Mikrocomputer 1 wird ein zweites
PWM-Signal 7 für
die Funktionsbeleuchtung generiert. Den zeitlichen Verlauf der erzeugten
Spannung UF für die Funktionsbeleuchtung
ist ebenfalls in der 2 dargestellt. Die logische
UND-Verknüpfung 10 wird
einerseits mit der Spannung UF für die Funktionsbeleuchtung
beaufschlagt und ist andererseits mit einem Ausgang 8 des Mikrocomputers 1 verbunden. Schaltet
nun der Bediener des Kraftfahrzeuges eine bis zum Zeitpunkt t1 mit einer Suchbeleuchtung versehenen Bedieneinrichtung
ein, so wird über
die Schnittstelle 8 der dazugehörige Ausgang des Mikrocomputers 1 mit
einer Spannung UZ beaufschlagt und somit
liegen zum Zeitpunkt t1 zwei Spannungen
an den Eingängen
der UND-Verknüpfung 10 an,
so dass die UND-Verknüpfung 10 an
ihrem Ausgang ebenfalls ein Signal erzeugt. Mittels dieses Signals
am Ausgang der UND-Verknüpfung 10 wird
nun das Suchbeleuchtungssignal US mit Hilfe
der ODER-Verknüpfung 11 von
dem Funktionsbeleuchtungssignal UF überschrieben,
wie aus der 2 zu ersehen ist, wird das Leuchtmittel 4 mit
einem Strom ILED beaufschlagt, der dem Verlauf
der Spannung für
die Funktionsbeleuchtung UF entspricht.
Aus der längeren Einschaltzeit
des Leuchtmittels 4, das insbesondere auch eine LED sein
kann, ergibt sich die größere Helligkeit
und somit eine Anzeige als Funktionsbeleuchtung.
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Das
in 2 dargestellte grafische Beispiel zeigt die Einstellung
der Helligkeit des Leuchtmittels 4 allein über das
Tastverhältnis.
Die Helligkeit des Leuchtmittels 4 ist aber auch über den
Betrag des durch das Leuchtmittel 4 fließenden rechteckförmigen Stromes
bestimmbar. Das Konzept der Verwendung eines gleichen Stromes für Such-
und Funktionsbeleuchtung bietet den Vorteil, dass damit Nichtlinearitäten, die
beispielsweise durch Temperaturschwankungen auftreten können, in
der Ansteuerung vermieden werden. In der 3 ist das
Konzept unter Verwendung einer Stromumschaltung wiedergegeben. Zum
Zeitpunkt t1 wird ebenfalls über den
Ausgang 8 ein Signal UZ an die
Logik gegeben und es wird wiederum zwischen der Suchbeleuchtung
und der Funktionsbeleuchtung umgeschaltet, bis zum Zeitpunkt t2 in dem wiederum von der Funktionsbeleuchtung
zur Suchbeleuchtung umgeschaltet wird. Der Zeitpunkt t2 in
beiden Figuren entspricht dem Zeitpunkt in dem der Bediener das
Bedienelement erneut betätigt
und die Funktion ausgeschaltet wird. In der 3 wird dabei
nicht nur das Tastverhältnis
des durch das Leuchtmittel 4 fließenden Stromes ILED verändert, sondern
es wird auch der Betrag des Stromes erhöht. Somit ist die Möglichkeit
gegeben, die Helligkeit des Leuchtmittels 4, beziehungsweise
dessen Einstellbarkeit, über
den gesamten Bereich auszunutzen. Der Strom ILED variiert
beim Konzept der Stromumschaltung in einem Verhältnis von etwa 3 zu 1 bis 10
zu 1. Bevorzugt wird ein Stromumschaltungsverhältnis von 5 zu 1 eingestellt.
Dabei liegt der während
der Suchbeleuchtung fließende
Strom bei etwa 5 mA und während
der Funktionsbeleuchtung bei etwa 25 mA. Die Einstellung des Stromumschaltverhältnisses
ist beispielsweise auch über
den fotosensitiven Sensor 9 steuerbar.
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Das
Signal UZ mit dem zwischen der Such- und
Funktionsbeleuchtung des Leuchtmittels 4 umgeschaltet wird,
kann unmittelbar am Mikrocomputer 1 abgegriffen werden
oder bei einer Verwendung von sehr vielen Leuchtmitteln in einem
Bediengerät,
in diesem Fall müssten sehr
viele Ausgänge
am Mikrocomputer 1 zur Verfügung gestellt werden, kann
an den Mikrocomputer 1 ein Schieberegister 14 angeschlossen
sein. Hierbei muss nicht zwingenderweise ein Schieberegister 14 verwendet
werden, sondern es kann auch ein Demultiplexer, ein Bitadressierbares
Register, oder ein Zähler
mit oder ohne Auffangregister eingesetzt werden. Das Register 14 hätte dann
entsprechend viele Ausgänge
die wiederum separat mit dem Eingang einer separaten UND-Verknüpfung verbunden
wären.
Jede UND-Verknüpfung 10 wäre dann
ebenfalls mit der Spannung UF für die Funktionsbeleuchtung
beaufschlagt, wie es prinzipiell in 1 für eine LED
dargestellt ist. An jeden Ausgang der UND-Verknüpfung ist dann entsprechend ein
Eingang einer separaten ODER-Verknüpfung angeschlossen. Jede ODER-Verknüpfung 11 besitzt gleichzeitig
einen zweiten Eingang für
die Spannung US der Suchbeleuchtung. Entsprechend
der Anzahl der verwendeten Leuchtmittel 4 sind somit entsprechend
viele logische Einheiten 10, 11 und auch Halbleiter-Bauelemente 3 vorhanden,
so dass jedes Leuchtmittel 4 separat ansteuerbar ist. Es
ist selbstverständlich,
dass hier nicht sämtliche
Schaltungskonzepte dargelegt werden können, es wird aber insbesondere
darauf hingewiesen, dass zum Beispiel für das System 2 eine
diskrete Logik oder ein Diodennetzwerk oder eine programmierbare
Logik Verwendung finden kann.
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Zur
Erhöhung
der Auflösung
der Suchbeleuchtung, kann auch nur jede x-te Periode des Suchbeleuchtungs-Signals
US zur Ansteuerung freigegeben werden. Dazu
wird eine externe Schaltung bestehend aus einer oder mehreren bistabilen
Kippstufen oder Teilern verwendet, die zum Beispiel auf jede steigende
Flanke des Suchbeleuchtungs-Signals US anspricht
und nach x solcher Ereignisse für eine
Periode, über
eine Torschaltung das Suchbeleuchtungs-Signal US freigibt
oder blockiert. Hierzu ist beispielsweise die Verwendung eines UND-Gatters denkbar.
Diese Schaltung kann auch in eine programmierbare Logik oder in
einen kundenspezifischen Schaltkreis (ASIC) integriert werden. Dann muss
aber die Periodendauer für
das Funktions- und das Suchbeleuchtungs-Signal UF,
US um den Faktor x erhöht werden, damit ein sichtbares
Flackern der Suchbeleuchtung, das bei zirka 80 Hz beginnt, vermieden
wird.
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Um
den Kontrast der Anzeige auch bei Auflicht zu ermöglichen,
wird der fotosensitive Sensor 9 an einer geeigneten Stelle,
die zum Beispiel keine Abschattungen durch Bedienknöpfe aufweist,
mit in die Oberfläche
des Armaturenbrettes integriert. Über den Mikrocontroller 1 kann
dann bei Auflicht über eine
Korrekturtabelle oder ähnliches
das Tastverhältnis
der PWM-Signale US, UF angepasst
und damit eine höhere
Helligkeit im Leuchtmittel 4 eingestellt werden. Über eine ähnliche
Maßnahme
kann auch eine Korrektur der Helligkeit, je nach Temperatur des Leuchtmittels 4 vorgenommen
werden. Eine Korrektur kann zum Beispiel in dem Fall notwendig voll
sein, wenn sich die Umgebungstemperatur erhöht oder wegen einer Stromerwärmung es
zu Erwärmungen der
Bauelemente kommt. Optimal kann an dem Mikrocomputer auch ein Temperatursensor
angeschlossen sein.
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Wesentlich
für die
Erfindung ist, dass mittels der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Schaltung eine
Realisierung von Such- und Funktionsbeleuchtung über jeweils ein einziges Leuchtmittel 4 möglich ist.
Darüber
hinaus besteht die Möglichkeit,
dass in Kombination mit einem durchdrehbaren Bedienknopf eine personalisierte
Bedienung ermöglicht
ist. Wird beispielsweise das Kraftfahrzeug von mehreren Personen
genutzt, so besteht die Möglichkeit,
dass nach dem Starten oder während
des Inbetriebnehmens des Kraftfahrzeuges eine personalisierte Einstellung, einschließlich der
Anzeige der einzelnen Funktionen des Kraftfahrzeuges voreinstellbar
ist.