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Die
Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung.
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Die
Druckschrift
US
2004/0037079 A1 beschreibt ein flexibles Leuchtdiodenmodul.
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Die
Druckschrift
US
2004/0105261 A1 beschreibt ein Verfahren sowie eine Vorrichtung
zur Erzeugung und Modulierung von Beleuchtungsbedingungen.
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Die
Druckschrift
US 6,683,423
B2 beschreibt eine Beleuchtungsvorrichtung zur Erzeugung
eines Lichtstrahls, der ein definiertes Spektrum der Leuchtdichte
aufweist.
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Die
Druckschrift
WO 03/105540
A2 beschreibt eine Steuervorrichtung für eine Beleuchtungsvorrichtung.
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Die
Druckschrift
DE 102
39 449 A1 beschreibt ein Verfahren sowie eine Vorrichtung
zur Realisierung von LED-Leuchten mit Farb- und/oder Helligkeitseinstellungen
und dem dazugehörigen
Bedienelement.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Beleuchtungseinrichtung
anzugeben, die besonders vielseitig einsetzbar ist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Beleuchtungseinrichtung nach Patentanspruch 1. Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
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Die
Beleuchtungseinrichtung weist wenigstens ein Leuchtdiodenmodul auf,
das wenigstens eine Leuchtdiode enthält, die geeignet ist, Licht
im roten Spektralbereich, wenigstens eine Leuchtdiode, die geeignet
ist, Licht im grünen
Spektralbereich und wenigstens eine Leuchtdiode, die geeignet ist,
Licht im blauen Spektralbereich zu erzeugen.
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Weiter
weist die Beleuchtungseinrichtung ein Leuchtdiodenmodul auf, das
wenigstens eine Leuchtdiode enthält,
die geeignet ist Licht im gelben Spektralbereich zu erzeugen.
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Die
Beleuchtungseinrichtung weist also vier Leuchteinheiten auf. Die
vier Leuchteinheiten der Beleuchtungseinrichtung sind dabei also
durch rote, grüne,
blaue und gelbe Leuchtdioden der Leuchtdiodenmodule gegeben. Unter
Leuchtdiodenmodul ist dabei eine vorgefertigte Anordnung von Leuchtdioden
zu verstehen. Bevorzugt lassen sich die Leuchtdioden jeder Farbe
gemeinsam kontaktieren. Beispielsweise weist ein Modul wenigstens
zehn Leuchtdioden jeder im Modul vorhandenen Farbe auf, wobei sich
die 10 gleichfarbigen Leuchtdioden jeweils gemeinsam kontaktieren
lassen. Beispielsweise können
die gleichfarbigen Leuchtdioden in Reihe zueinander geschaltet sein.
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Die
Beleuchtungseinrichtung weist zusätzlich eine Vorrichtung auf,
die geeignet ist pulsweitenmodulierte Signale zur Ansteuerung wenigstens
eines Teils der Leuchtdioden zu erzeugen. Beispielsweise kann die
Vorrichtung geeignet sein, die Leuchtdioden einer bestimmten Farbe
gemeinsam anzusteuern. Auf diese Weise kann das Licht dieser Farbe mittels
der Vorrichtung gedimmt werden.
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Bevorzugt
ist die Vorrichtung geeignet das Licht von wenigstens drei Farben
zu dimmen. Die Farben können
dabei unabhängig
voneinander gedimmt werden.
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Weiter
ist bei der Beleuchtungseinrichtung eine Steuervorrichtung vorgesehen, über die
eine Vielzahl vordefinierter korrelierter Farbtemperaturen des von
der Beleuchtungseinrichtung abgegebenen Lichts einstellbar ist.
Mittels der Steuervorrichtung ist es beispielsweise möglich, die
ersten und zweiten Zeitspannen für
die Erzeugung von pulsweitenmodulierten Signalen für zumindest
eine Leuchteinheit einzustellen. Damit lässt sich beispielsweise die
Helligkeit des von dieser Leuchteinheit erzeugten Lichts definiert
einstellen. Durch die Variation der Helligkeit von Licht der Leuchteinheiten
ist es möglich
den Anteil einer oder mehrerer Farben am von der Beleuchtungseinheit
erzeugten weißen
Licht definiert zu ändern.
Dies ermöglicht
eine kontrollierte Einstellung der korrelierten Farbtemperatur der
Beleuchtungseinheit auf einen gewünschten Wert. Das heißt beispielsweise,
dass es die Steuervorrichtung einem Benutzer ermöglicht, zwischen einer Vielzahl
von Farbtemperaturen zu wählen.
Die Steuervorrichtung umfasst dabei Schalter, wobei jedem Schalter
eine Farbtemperatur des von der Beleuchtungseinrichtung abgestrahlten
weißen
Lichts derart zugeordnet ist, dass durch Schließen eines der Schalter und Öffnen der
verbleibenden Schalter von der Beleuchtungseinrichtung weißes Licht
mit der dem Schalter zugeordneten Farbtemperatur emittiert wird.
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In
wenigstens einer Ausführungsform
der Beleuchtungseinrichtung kann der Nutzer dabei zwischen den folgenden
Farbtemperaturen wählen: 6500
Kelvin, 5500 Kelvin, 5000 Kelvin, 4100 Kelvin, 3500 Kelvin, 3000
Kelvin, 2800 Kelvin, und 2500 Kelvin.
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Die
Beleuchtungseinrichtung macht sich dabei die Idee zu nutze, dass
mittels Variation der Helligkeit wenigstens einer der Leuchteinheiten
Eigenschaften des von der Beleuchtungseinheit abgegeben Lichts wie
der Farbort, die Farbtemperatur oder der Farbwiedergabewert des
von der Beleuchtungseinrichtung emittierten Lichts definiert einstellbar sind.
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Sind
beispielsweise zwei der Leuchteinheiten der Beleuchtungseinrichtung
geeignet, Licht unterschiedlicher Farbe zu emittieren, so kann durch die
Erhöhung
der Helligkeit einer der Farben der Anteil dieser Farbe im Mischlicht
der Beleuchtungseinheit erhöht
werden. Auf diese Weise ist es also möglich den Farbort des mischfarbigen
Lichts in Richtung der Farbe zu verschieben, deren Helligkeit erhöht wurde.
Weiter können
dadurch die Farbtemperatur sowie der Farbwiedergabewert der Beleuchtungseinrichtung
verändert
werden.
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Bei
dem pulsweitenmodulierten Signal handelt es sich zum Beispiel um
ein elektrisches Rechtecksignal. Liegt das pulsweitenmodulierte
Signal etwa an einer der Leuchteinheiten an, so ist es beispielsweise
möglich,
dass die Leuchteinheit für
eine vorgebbare erste Zeitspanne t1 mit
einem vorgebbaren Strom I1 größer Null
betrieben wird. Für
eine vorgebbare zweite Zeitspanne t2 fließt dann
beispielsweise kein Strom durch die Leuchteinheit. Ist die Frequenz
des pulsweitenmodulierten Signals 1/(t1 +
t2) dabei groß genug, bevorzugt größer gleich
100 Hertz, so kann der menschliche Betrachter kein Flackern des
von der Leuchteinheit emittierten Lichts wahrnehmen. Beispielsweise über Erhöhung der
ersten Zeitspanne t1 ist es bei gleich bleibender
Frequenz 1/(t1 + t2)
und gleich bleibendem Strom I1 möglich die
Helligkeit des Lichts der durch die Pulsweitenmodulationsschaltung
angesteuerten Leuchteinheit für
den menschlichen Betrachter zu erhöhen.
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Bevorzugt
ist die Vorrichtung geeignet zum Betreiben wenigstens drei der Leuchteinheiten
unabhängige
pulsweitenmodulierte Signale zu erzeugen. Das heißt, mittels
der Vorrichtung lassen sich wenigstens drei der Leuchteinheiten
unabhängig
voneinander dimmen. Besonders bevorzugt ist die Vorrichtung geeignet
für alle
Leuchteinheiten pulsweitenmodulierte Signale zu erzeugen.
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In
zumindest einer Ausführungsform
der Beleuchtungseinrichtung ist es möglich, dass wenigstens das
von einer der Leuchteinheiten emittierte Licht geeignet ist, den
Farbwiedergabewert der Beleuchtungseinrichtung zu erhöhen.
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Der
Farbwiedergabewert (color rendering index – CRI) ist eine Messgröße, die
angibt, wie gut Farben unter bestimmten Beleuchtungsbedingungen verglichen
mit einer Referenzlichtquelle wie beispielsweise einer Glühbirne oder
Tageslicht wiedergegeben werden. Auf einer Skala von 0 bis 100 bedeutet
ein Farbwiedergabewert von 100, dass alle Farben eines Testobjekts
bei Beleuchtung mit der zu beurteilenden Lichtquelle genauso erscheinen
wie bei Beleuchtung mit einer Referenzlichtquelle.
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Wird
von der Beleuchtungseinrichtung weißes Licht beispielsweise durch
Mischung von Licht zweier komplementärer Farben wie blau und gelb
erzeugt, so kann die Beleuchtungseinrichtung zusätzlich wenigstens eine Leuchteinheit
enthalten, die geeignet ist Licht einer anderen Farbe, beispielsweise grünes oder
rotes Licht, zu erzeugen. Dadurch wird der Farbwiedergabewert des
von der Beleuchtungseinrichtung erzeugten weißen Lichts erhöht. Das Spektrum
des von der Beleuchtungseinrichtung abgegebenen Lichts entspricht
dann wesentlich besser dem Spektrum eines schwarzen Strahlers einer
gegebenen Farbtemperatur. Genauso ist es aber möglich, den Farbwiedergabewert
zu erhöhen,
wenn von der Beleuchtungseinrichtung weißes Licht mittels Mischen dreier
Farben erzeugt wird und zusätzlich
Licht wenigstens einer weiteren Farbe beigemischt wird.
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Beispielsweise
kann durch die Beleuchtungseinrichtung auf diese Weise etwa bei
der Verwendung von Leuchtdioden als lichterzeugende Elemente bei
vorgegebener Farbtemperatur ein Farbwiedergabewert von größer 70,
bevorzugt größer 85, besonders
bevorzugt von größer 95 erreicht
werden.
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Gemäß wenigstens
einer Ausführungsform der
Beleuchtungseinrichtung ist wenigstens eine Leuchteinheit der Beleuchtungseinrichtung
geeignet, Licht mit einer Zentralwellenlänge zwischen 455 und 485 Nanometer
zu emittieren, wenigstens eine Leuchteinheit ist geeignet Licht
mit einer Zentralwellenlänge
zwischen 512 und 538 Nanometer zu emittieren, wenigstens eine Leuchteinheit
ist geeignet Licht mit einer Zentralwellenlänge zwischen 580 und 594 Nanometer
zu emittieren und wenigstens eine Leuchteinheit ist geeignet, Licht
mit einer Zentralwellenlänge
zwischen 608 und 626 Nanometer zu emittieren. Unter Zentralwellenlänge ist
dabei das Maximum des Intensitätsspektrums
der jeweiligen Leuchteinheit zu verstehen.
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Weiter
ist es möglich,
dass die Beleuchtungseinrichtung zusätzlich Leuchteinheiten mit
anderen Zentralwellenlängen
aufweist. Vorteilhaft lässt sich
dabei der Farbwiedergabewert der Beleuchtungseinrichtung bei gegebener
korrelierter Farbtemperatur weiter erhöhen.
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Im
folgenden wird die hier beschriebene Beleuchtungseinrichtung anhand
von Ausführungsbeispielen
und den dazugehörigen
Figuren näher
erläutert.
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1 zeigt
beispielhaft ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der hier beschriebenen Beleuchtungseinrichtung.
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2 zeigt
beispielhaft ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des hier beschriebenen
Steuermittels.
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3 zeigt beispielhaft Spektren von mittels der
Beleuchtungseinrichtung erzeugtem Licht.
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4 zeigt
eine Tabelle mit gemessenen Spannungen.
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In
den Ausführungsbeispielen
und Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils
mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile
sowie die Größenverhältnisse
der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr
sind einige Details der Figuren zum besseren Verständnis übertrieben
groß dargestellt.
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1 zeigt
beispielhaft ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der hier beschriebenen Beleuchtungseinrichtung.
Als Leuchteinheiten dienen hier ein RGB-Leuchtdiodenmodul 1 und
ein Leuchtdiodenmodul 2.
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Das
RGB-Leuchtdiodenmodul 1 weist beispielsweise eine Vielzahl
von roten, grünen
und blauen Leuchtdioden auf. Die Leuchtdioden der einzelnen Farben
können
dabei mittels der Stromversorgungseingänge 1a jeweils gemeinsam
betrieben werden. Die Leuchtdioden unterschiedlicher Farben können unabhängig voneinander
bestromt werden. Das Leuchtdiodenmodul 2 enthält beispielsweise Leuchtdioden,
die geeignet sind, Licht im gelben Spektralbereich zu emittieren.
Mittels des Stromversorgungseingangs 2a können alle
Leuchtdioden des Leuchtdiodenmoduls 2 gleichzeitig bestromt
werden.
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Beispielsweise
die Leuchtdioden des Leuchtmoduls 2 und zwei Farben des
Leuchtdiodenmoduls 1 werden von der Pulsweitenmodulationsschaltung 3 über die
Signalausgänge 3c mittels
pulsweit modulierter Signale angesteuert. Die einzelnen Farben können dabei
unabhängig
voneinander gedimmt werden. Eine Farbe des Leuchtdiodenmoduls 1 kann
beispielsweise direkt mit einer Stromversorgung 5 verbunden
sein. Diese Farbe wird dann nicht gedimmt, sondern sie leuchtet
beispielsweise mit maximaler Helligkeit. Die Helligkeit dieser Farbe
kann dabei als Referenzhelligkeit für die anderen Farben dienen.
Beispielsweise werden die grünes
Licht emittierenden Leuchtdioden des Leuchtdiodenmoduls 1 über die
Verbindung 6 direkt mit der Stromversorgung 5 verbunden.
Es ist aber auch möglich,
dass die Leuchtdioden des Leuchtdiodenmoduls 2 direkt mit der
Stromversorgung verbunden sind und alle Farben des Leuchtdiodenmoduls 1 mittels
der Pulsweitenmodulationsschaltung 3 dimmbar sind.
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Weiter
ist es möglich,
dass die Leuchtdioden einer Farbe über eine separate Stromquelle
versorgt werden (nicht gezeigt).
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Die
Pulsweitenmodulationsschaltung 3 ist mittels des Stromeingangs 3a mit
der Stromversorgung 5 verbunden. Mittels des Kontrolleingangs 3b der
Pulsweitenmodulationsschaltung 3 können die Kanäle der Pulsweitenmodulationsschaltung 3 unabhängig voneinander
angesteuert werden.
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Über die
Steuervorrichtung 4, wird die Pulsweitemodulationsschaltung 3 mittels
der Kontrollausgänge 4a der
Steuervorrichtung 4 angesteuert. Beispielsweise kann dadurch
das Tastverhältnis,
das heißt
das Verhältnis
aus erster Zeitspanne t1, in der ein Strom
I1 ungleich null fließt, zur Summe aus erster und
zweiter Zeitspanne (t1 + t2)
für jeden
Kanal unabhängig
eingestellt werden. Dadurch ist die Helligkeit des Lichts für drei der
vier Farben der Leuchtdiodenmodule 1, 2 einstellbar.
Je nach den Tastverhältnissen
der Pulsweitenmodulierten Signale mit denen die Leuchtdioden der
Leuchtdiodenmodule 1, 2 angesteuert werden, ist
auf diese Weise eine bestimmte Farbtemperatur CCT des von der Beleuchtungseinrichtung
erzeugten Lichts definiert einstellbar.
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2 zeigt
beispielhaft ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Steuervorrichtung 4.
Mittels der Schalter 41 bis 48 ist es möglich acht
verschiedene Farbtemperaturen CCT der Beleuchtungseinrichtung einzustellen.
Dafür wird
einer der Schalter 41 bis 48 geschlossen, die
verbleibenden Schalter bleiben offen. Für die Ansteuerung der drei Kanäle der Pulsweitenmodulationsschaltung 3 weist die
Steuervorrichtung dazu ein Netzwerk aus drei mal acht Dioden 49 und
drei mal acht Potentiometern 50 auf. Die Potentiometer
sind dabei jeweils auf bestimmte widerstandswerte eingestellt, so
dass durch das Schließen
einer der Schalter 41 bis 48 von der Beleuchtungseinrichtung
weißes
Licht mit der gewünschten
Farbtemperatur CCT erzeugt wird.
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3a bis 3h zeigen
dazu resultierende Spektren, des von der Beleuchtungseinrichtung
erzeugten Lichts. Die Leuchtdioden des Leuchtdiodenmoduls 1,
die geeignet sind, grünes
Licht zu erzeugen, sind hierbei direkt an die Stromquelle 5 angeschlossen.
Die Intensität
des grünen
Lichts kann daher im folgenden als Referenz dienen.
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3a zeigt
beispielsweise ein Spektrum für eine
korrelierte Farbtemperatur CCT von 2500 Kelvin. Die Linien B, G,
Y, und R zeigen dabei die relative gemessene Intensität des blauen,
grünen,
gelben und roten Lichts an. Damit ein Spektrum gemäß der 3a von
der Beleuchtungseinrichtung erzeugt wird muss beispielsweise der
Schalter 48 der Steuervorrichtung 4 geschlossen
sein. Alle anderen Schalter der Steuervorrichtung bleiben offen.
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Die 3b zeigt
ein Spektrum für
eine korrelierte Farbtemperatur CCT von 2800 Kelvin, Schalter 47 der
Steuervorrichtung 4 ist dann geschlossen.
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Die 3c zeigt
ein Spektrum für
eine korrelierte Farbtemperatur CCT von 3000 Kelvin. Um dieses Spektrum
zu erhalten, muss Schalter 46 geschlossen sein.
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3d zeigt
ein Spektrum für
eine korrelierte Farbtemperatur CCT von 3500 Kelvin, wobei Schalter 45 der
Steuervorrichtung 4 geschlossen ist.
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3e zeigt
ein Spektrum bei einer korrelierten Farbtemperatur CCT von 4100
Kelvin, der Schalter 44 ist dann geschlossen.
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3f zeigt
ein Spektrum zur korrelierten Farbtemperatur CCT von 5000 Kelvin
bei geschlossenem Schalter 43.
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3g zeigt
ein Spektrum bei einer korrelierten Farbtemperatur CCT von 5500
Kelvin und geschlossenem Schalter 42.
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3h zeigt
schließlich
ein Spektrum für eine
korrelierte Farbtemperatur CCT von 6500 Kelvin und geschlossenem
Schalter 41.
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4 zeigt
eine Tabelle mit gemessenen Spannungswerten für unterschiedliche korrelierten Farbtemperaturen
CCT. Das heißt,
beispielsweise an den Kontrolleingängen 3b der Pulsweitenmodulationsschaltung 3 der 1 liegen
dann diese Spannungen an.
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Der
größte Spannungswert
der dabei an einem Kontrolleingang 3b für die Leuchtdioden einer bestimmten
Farbe anliegen kann, ist hier auf 100% normiert und entspricht im
Ausführungsbeispiel
der 1 beispielsweise 10 V. Bei einem Spannungswert
von 100% leuchten die Leuchtdioden der zum Kontrolleingang gehörenden Farbe
dann mit maximaler Intensität.
Ein Spannungswert von 0% entspricht ausgeschalteten Leuchtdioden,
das heißt
es liegt keine Spannung am Kontrolleingang 3b der Farbe
an. Da im Ausführungsbeispiel
der 1 die grünen
Leuchtdioden des Leuchtdiodenmoduls 1 direkt mit der Stromversorgung
verbunden sind und diese Leuchtdioden daher mit maximaler Intensität leuchten,
ist ihr Spannungswert in der Tabelle der 4 auf 100%
gesetzt.
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Soll
also eine bestimmte Farbtemperatur CCT eingestellt werden, so werden
die Potentiometer 50 der Steuervorrichtung 4 so
eingestellt, dass die in der Tabelle der 4 aufgeführten Spannungen an
Kontrollausgängen 4a der
Steuervorrichtung 4 zur Verfügung gestellt werden.