-
Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung.
-
Die Druckschrift
US 2004/0037079 A1 beschreibt ein flexibles Leuchtdiodenmodul.
-
Die Druckschrift
US 2004/0105261 A1 beschreibt ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung und Modulierung von Beleuchtungsbedingungen.
-
Die Druckschrift
US 6,683,423 B2 beschreibt eine Beleuchtungsvorrichtung zur Erzeugung eines Lichtstrahls, der ein definiertes Spektrum der Leuchtdichte aufweist.
-
Die Druckschrift
WO 03/105540 A2 beschreibt eine Steuervorrichtung für eine Beleuchtungsvorrichtung.
-
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.
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Beleuchtungseinrichtung anzugeben, die besonders vielseitig einsetzbar ist.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Beleuchtungseinrichtung nach Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
-
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.
-
Weiter weist die Beleuchtungseinrichtung ein Leuchtdiodenmodul auf, das wenigstens eine Leuchtdiode enthält, die geeignet ist Licht im gelben Spektralbereich zu erzeugen.
-
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.
-
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.
-
Die Vorrichtung ist geeignet das Licht der roten, gelben und blauen Leuchtdioden zu dimmen. Die Farben können dabei unabhängig voneinander gedimmt werden.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Die Vorrichtung ist geeignet zum Betreiben der roten, gelben und blauen Leuchtdioden unabhängige pulsweitenmodulierte Signale zu erzeugen. Das heißt, mittels der Vorrichtung lassen sich drei der Leuchteinheiten unabhängig voneinander dimmen. Besonders bevorzugt ist die Vorrichtung geeignet für alle Leuchteinheiten pulsweitenmodulierte Signale zu erzeugen.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Im folgenden wird die hier beschriebene Beleuchtungseinrichtung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
-
1 zeigt beispielhaft ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der hier beschriebenen Beleuchtungseinrichtung.
-
2 zeigt beispielhaft ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des hier beschriebenen Steuermittels.
-
3 zeigt beispielhaft Spektren von mittels der Beleuchtungseinrichtung erzeugtem Licht.
-
4 zeigt eine Tabelle mit gemessenen Spannungen.
-
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.
-
1 zeigt beispielhaft ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der hier beschriebenen Beleuchtungseinrichtung. Als Leuchteinheiten dienen hier ein RGB-Leuchtdiodenmodul 1 und ein Leuchtdiodenmodul 2.
-
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 Leuchtdioden, die geeignet sind, Licht im gelben Spektralbereich zu emittieren. Mittels des Stromversorgungseingangs 2a können alle Leuchtdioden des Leuchtdiodenmoduls 2 gleichzeitig bestromt werden.
-
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 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. Weiter ist es möglich, dass die Leuchtdioden einer Farbe über eine separate Stromquelle versorgt werden (nicht gezeigt).
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Die 3b zeigt ein Spektrum für eine korrelierte Farbtemperatur CCT von 2800 Kelvin, Schalter 47 der Steuervorrichtung 4 ist dann geschlossen.
-
Die 3c zeigt ein Spektrum für eine korrelierte Farbtemperatur CCT von 3000 Kelvin. Um dieses Spektrum zu erhalten, muss Schalter 46 geschlossen sein.
-
3d zeigt ein Spektrum für eine korrelierte Farbtemperatur CCT von 3500 Kelvin, wobei Schalter 45 der Steuervorrichtung 4 geschlossen ist.
-
3e zeigt ein Spektrum bei einer korrelierten Farbtemperatur CCT von 4100 Kelvin, der Schalter 44 ist dann geschlossen.
-
3f zeigt ein Spektrum zur korrelierten Farbtemperatur CCT von 5000 Kelvin bei geschlossenem Schalter 43.
-
3g zeigt ein Spektrum bei einer korrelierten Farbtemperatur CCT von 5500 Kelvin und geschlossenem Schalter 42.
-
3h zeigt schließlich ein Spektrum für eine korrelierte Farbtemperatur CCT von 6500 Kelvin und geschlossenem Schalter 41.
-
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.
-
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.
-
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.