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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Funktion eines
Leuchtkörpers,
dessen mittlere Helligkeit über
das Verhältnis
der Dauer von Leuchtphasen und Dunkelphasen modulierbar ist, durch
die Messung zumindest einer Betriebsgröße des Leuchtkörpers.
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Ein
Verfahren zur Überwachung
der Funktion eines herkömmlichen
Leuchtkörpers
ist aus der
DE 100
18 760 A1 bekannt. Die Lehre der
DE 100 18 760 A1 ist auf
viele Leuchtkörper
in modernen Kraftfahrzeugen jedoch nur in sehr beschränktem Umfang bzw.
mit geringer Zuverlässigkeit
anwendbar, da sie von einem konstanten Betriebsstrom durch den Leuchtkörper und
von einer konstanten an dem Leuchtkörper anliegenden Betriebsspannung
ausgeht.
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In
Abweichung von dieser Voraussetzung der
DE 100 18 760 A1 wird in
modernen Kraftfahrzeugen aus Gründen
der Verlustleistungsminimierung in Halbleitern und Widerständen häufig eine Pulsbreitenmodulation
(PWM = puls width modulation) des Stroms durch einen Leuchtkörper verwendet. Insbesondere
Leuchtdioden werden bevorzugt auf diese Art und Weise angesteuert.
Dabei wird die Spannungsversorgung des Leuchtkörpers getaktet, d. h. der Strom
durch den Leuchtkörper
wird zyklisch zwischen Null und einem Maximalwert umgeschaltet. Der
Maximalwert des Stroms bei einer solchen Pulsbreitenmodulation wird
in der Regel durch einen Serienwiderstand eingestellt. Aus der Umschaltung
des Stroms zwischen Null und dem Maximalwert ergibt sich ein rascher
Wechsel zwischen Leuchtphasen und Dunkelphasen des Leuchtkörpers. Dieser
erfolgt so schnell, dass für
das menschliche Auge nur die mittlere Helligkeit und ggf. eine Mischfarbe
des ausgesendeten Lichts wahrnehmbar ist. Die mittlere Helligkeit
ist dabei über
das Verhältnis
der Dauer von Leuchtphasen und Dunkelphasen modulierbar.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein einfaches und zuverlässiges Verfahren zur Überwachung
der Funktion eines Leuchtkörpers,
dessen mittlere Helligkeit über
das Verhältnis
der Dauer von Leuchtphasen und Dunkelphasen modulierbar ist, zu
schaffen.
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Gelöst wird
diese Aufgabe erfindungsgemäß durch
ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte
Ausführungsformen und
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Indem
der Zeitpunkt der Messung zumindest einer Betriebsgröße des Leuchtkörpers mit
der Ansteuerung des Leuchtkörpers
synchronisiert wird, kann eine wesentliche Erhöhung der Aussagekraft einer
vorgenommenen Messung erreicht werden. Die Zuverlässigkeit
der Überwachung
wird somit erhöht.
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Für die Messung
von Betriebsgrößen eines Leuchtkörpers kommen
in erster Linie eine Strommessung des elektrischen Stroms durch
den Leuchtkörper,
eine Spannungsmessung der an dem Leuchtkörper anliegenden elektrischen
Spannung und eine Helligkeitsmessung der Helligkeit des Leuchtkörpers in
Frage. Alle genannten Messarten sind ohne die erfindungsgemäße Synchronisierung
mit wesentlichen Nachteilen verbunden, da der Zeitpunkt der Messung jeweils
entscheidend für
die Aussagekraft des Messergebnisses ist. Die Erfindung trägt dieser
Zeitabhängigkeit
Rechnung.
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Wenn
eine Strommessung ganz oder teilweise in einer Dunkelphase stattfindet,
ist das Ergebnis der Messung nicht aussagekräftig. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird daher in einer Leuchtphase eine
Strommessung des elektrischen Stroms durch den Leuchtkörper vorgenommen.
Nur durch die erfindungsgemäße Synchronisierung
kann die Messung zuverlässig
vollständig
in der Leuchtphase erfolgen. Störungen
des Leuchtkörpers
und/oder Störungen
in dessen Ansteuerung, durch welche der elektrische Strom durch
den Leuchtkörper
in der Leuchtphase verändert
wird, sind somit zuverlässig
erkennbar.
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In
vergleichbarer Weise kann auch bei einer Messung der an dem Leuchtkörper anliegenden elektrischen
Spannung verfahren werden. Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird in einer Leuchtphase eine Spannungsmessung
der an dem Leuchtkörper
anliegenden elektrischen Spannung vorgenommen. Der Zeitpunkt der
Spannungsmessung wird also derart mit der Ansteuerung des Leuchtkörpers synchronisiert,
dass der Zeitpunkt der Spannungsmessung in einer Leuchtphase liegt.
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Vorzugsweise
erfolgt die erfindungsgemäße Synchronisation
so, dass die Zeitintervalle der Leucht- und Dunkelphasen als vorgegeben
betrachtet werden und der Zeitpunkt einer Messung bzw. die Zeitpunkte
mehrerer Messungen in Abhängigkeit
von diesen Zeitintervallen gewählt
werden. Prinzipiell kann jedoch auch in umgekehrter Abhängigkeit
vorgegangen werden bzw. es können
Ausnahmen von dieser Vorgehensweise vorgesehen werden, die unter
bestimmten Bedingungen eintreten.
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Ist
beispielsweise das Tastverhältnis,
d. h. das Verhältnis
der Dauer der Leuchtphase bezogen auf die Zykluszeit der Pulsbreitenmodulation)
so ungünstig,
dass die Einschaltdauer des PWM-Signales für die Erfassung
des Stromes und/oder der Spannung am lichtempfindlichen Bauelement
nicht ausreicht, so kann die Einschaltdauer des PWM-Signales für die Messung
verlängert
werden. Vorzugsweise erfolgt eine solche Verlängerung nur einmalig für die jeweilige
Messung. Der dadurch entstehende zeitlich kurze Lichtblitz des Leuchtkörpers ist
für das menschliche
Auge nicht bzw. kaum sichtbar. Gegebenenfalls kann er auch durch
eine entsprechende Verlängerung
der darauffolgenden Dunkelphase kompensiert werden.
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Prima
facie erscheint eine Ermittlung eines Mittelwerts des elektrischen
Stroms durch den Leuchtkörper
und/oder der anliegenden Spannung als Alternative zu der Erfindung.
Für die
Mittelwertbildung werden jedoch zumindest zusätzliche elektrische Bauelemente
benötigt.
Auch ein statistisches Verfahren, bei welchem beispielsweise eine
Vielzahl von Messwerten aufgenommen und in zwei Wertegruppen für Leucht-
und Dunkelphase separiert werden, ist häufig nicht bzw. nur mit großem Aufwand
anwendbar, da bei extremen Tastverhältnissen (z. B. 1:300) ohne
Synchronisierung nicht garantiert werden kann, dass Messwerte beider
Phasen zur Auswertung zur Verfügung
stehen.
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Bei
einer Helligkeitsmessung, beispielsweise mittels eines fotoempfindlichen
Bauelements wie etwa bekannt aus der
DE 100 18 760 A1 , kann ohne die erfindungsgemäße Synchronisierung
nicht mit ausreichender Sicherheit festgestellt werden, ob sich das
Ergebnis einer Messung auf eine Leuchtphase oder eine Dunkelphase
des Leuchtkörpers
bezieht. Beispielsweise kann auch bei defektem Leuchtkörper durch
Fremdlichteinwirkung ein Messergebnis entstehen, welches für eine hohe
Helligkeit steht. Um ein bezüglich
dieser Fremdlichteinwirkung bereinigtes Messergebnis zu erhalten,
muss ein Maß für die Fremdlichteinwirkung
selbst bestimmt werden. Eine diesbezügliche Helligkeitsmessung muss,
um nicht durch Licht verfälscht
zu werden, welches von dem Leuchtkörper emittiert wird, in einer
Dunkelphase der PWM-Ansteuerung erfolgen. Dementsprechend wird gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung in einer Dunkelphase eine Helligkeitsmessung der Umgebungshelligkeit
vorgenommen.
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Falls
das Tastverhältnis
so ungünstig
ist, dass die Ausschaltdauer des PWM-Signales für die Helligkeitsmessung nicht
ausreicht, so kann die Ausschaltdauer, d.h. die Dauer der Dunkelphase,
des PWM-Signales für
die Helligkeitsmessung verlängert werden.
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Das
in solcher Art und Weise bestimmte Maß für die Fremdlichteinwirkung
kann auf unterschiedliche Weise verwertet werden. Einerseits kann
das Maß berücksichtigt
werden, um das Ergebnis einer wiederum gezielt in einer Leuchtphase
vorgenommenen Helligkeitsmessung des Leuchtkörpers entsprechend zu bereinigen.
Andererseits kann bei starker Fremdlichteinwirkung auf eine Strommessung
als in diesem Fall verlässlichere
Messmethode zurückgegriffen
werden. Im Falle einer in einer Leuchtphase vorzunehmenden Helligkeitsmessung
kann bei ungünstigem
Tastverhältnis,
die Einschaltdauer des PWM-Signales,
d.h. die Dauer der Leuchtphase für die
Helligkeitsmessung verlängert
werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
lässt sich praktisch
sehr einfach umsetzen. In der Regel sind hierzu keinerlei zusätzliche
Bauelemente erforderlich. Sofern die Ansteuerung des Leuchtkörpers und die
Auslösung
der Messung zum Zweck der Überwachung
durch dieselbe Recheneinheit, beispielsweise einen Mikroprozessor,
erfolgen, kann die erfindungsgemäße Synchronisierung
sehr einfach in einem Programm der Recheneinheit hergestellt werden.
Auch getrennte, jedoch parallel auf einer Recheneinheit ablaufende,
Prozesse für
die Ansteuerung des Leuchtkörpers
und die Auslösung
der Messung lassen sich in der Regel sehr einfach erfindungsgemäß zeitlich
aufeinander abstimmen. In dem Fall, dass die Ansteuerung des Leuchtkörpers und
die Auslösung der
Messung durch unterschiedliche Recheneinheiten vorgenommen werden,
sind die beteiligten Recheneinheiten untereinander zu synchronisieren,
d. h. zeitlich aufeinander abzustimmen. Hierzu kann beispielsweise über einen
Datenbus oder eine entsprechende dedizierte Synchronisationsverbindung ein
Synchronisationssignal von einer Recheneinheit an eine andere gesendet
werden. Unter Umständen ist
auch unabhängig
von der Erfindung bereits zu anderen Zwecken eine zeitliche Synchronisation
solcher Recheneinheiten vorgesehen. Sofern dies der Fall ist, ist
es besonders vorteilhaft, eine solche bereits vorgesehene Synchronisation
für die
Zwecke der Erfindung zu nutzen.
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Für Anwendungen
mit hohen Sicherheitsanforderungen kann die Ansteuerung und die Überwachung
des Leuchtkörpers
jeweils redundant von mindestens zwei Recheneinheiten, beispielsweise
Mikroprozessoren, übernommen
werden. In einem solchen Fall ist die Synchronisierung zwischen
den beteiligten Recheneinheiten in an sich bekannter Weise im Sinne
der Erfindung zu erweitern.
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Als
Leuchtkörper
im Sinne der Erfindung kommt vorzugsweise ein Leuchtkörper mit
integrierten Mitteln zur Helligkeitsmessung zum Einsatz. Der Platz-
und Montageaufwand kann somit minimiert werden. Zudem kann eine
besonders genaue Helligkeitsmessung erreicht werden. Beispielsweise
sind heute Leuchtdioden mit integriertem Fotosensor (Fototransistor)
kommerziell verfügbar.
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Anhand
der beigefügten
Zeichnungen wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Dabei zeigen jeweils
schematisch
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1 ein
Zeitschema für
die erfindungsgemäße zeitliche
Synchronisation zwischen der Ansteuerung eines Leuchtkörpers und
einer Strommessung des elektrischen Stroms durch den Leuchtkörper,
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2 ein
Zeitschema für
die erfindungsgemäße zeitliche
Synchronisation zwischen der Ansteuerung eines Leuchtkörpers und
einer Helligkeitsmessung zur Bestimmung einer Umgebungshelligkeit
und
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3 eine
Vorrichtung zur Durchführung
eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist die ordnungsgemäße Funktion
einer Leuchtdiode zu überwachen.
Die Leuchtdiode wird pulsbreitenmoduliert angesteuert, d. h. die
mittlere Helligkeit der Leuchtdiode ist über das Verhältnis der
Dauer von Leuchtphasen und Dunkelphasen modulierbar.
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Zur Überwachung
der ordnungsgemäßen Funktion
der Leuchtdiode sind Mittel zur Messung des Stroms durch die Leuchtdiode
vorgesehen (beispielsweise eine Vorrichtung zur Spannungsmessung
an einem niederohmigen Serienwiderstand) sowie ein in unmittelbarer
Nähe der
Leuchtdiode angeordnetes fotoempfindliches Bauelement zur Bestimmung
der Helligkeit in unmittelbarer Nähe der Leuchtdiode.
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Die Überwachung
der Funktion der Leuchtdiode kann grundsätzlich auf die folgenden Arten
und Weisen erfolgen:
Zum einen kann die Überwachung alleine durch Stromüberwachung
erfolgen. Eine reine Stromüberwachung
ist jedoch nicht geeignet für
sicherheitskritische Anwendungen.
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Zweitens
kann die Überwachung
alleine durch Helligkeitsmessungen mittels des fotoempfindlichen
Bauelements erfolgen. Eine entsprechende Helligkeitsmessung wird
in der Leuchtphase der Leuchtdiode vorgenommen. Eine reine Helligkeitsüberwachung
ist jedoch nicht geeignet für
sicherheitskritische Anwendungen, da Fremdlichteinwirkungen nur
in beschränktem
Maße kompensierbar
sind.
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Als
dritte Variante ist durch eine kombinierte Strom- und Lichtmessung
eine gefestigte Aussage über
die ordnungsgemäße Funktion
der Leuchtdiode zu treffen. Eine solche kombinierte Strom- und Lichtmessung
wird daher insbesondere für
sicherheitskritische Anwendungen verwendet. Zunächst wird in erfindungsgemäßer Art
und Weise in einer Dunkelphase der Leuchtdiode die Fremdlichteinwirkung
in der Umgebung der Leuchtdiode bestimmt. Wenn eine hohe Fremdlichteinwirkung
vorherrscht, wird auf eine Strommessung des elektrischen Stroms
durch den Leuchtkörper
zurückgegriffen.
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Wenn
entweder die Helligkeitsmessung mittels des fotoempfindlichen Bauelements
eine sehr geringe Helligkeit ergibt oder/und die Strommessung eine
sehr geringe Stromstärke
ergibt, wird auf einen Ausfall der Leuchtdiode oder eines Ansteuerelements
(Treiber) geschlossen.
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Für einen
solchen Fehler kann in an sich bekannter Weise ein Fehlereintrag
in einen Fehlerspeicher vorgenommen werden. Alternativ kann eine Warnung
ausgegeben werden oder ein redundanter Leuchtkörper kann aktiviert werden
und die Funktion der ausgefallenen Leuchtdiode übernehmen.
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Das
obige Vorgehen zur Überwachung
der Funktion eines Leuchtkörpers
sieht eine Strommessung in einer Leuchtphase vor. 1 zeigt
ein Zeitschema für
die erfindungsgemäße zeitliche
Synchronisation zwischen der Ansteuerung des Leuchtkörpers und
der Strommessung des elektrischen Stroms durch den Leuchtkörper gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel.
Die Zeitachse erstreckt sich dabei von links nach rechts.
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Das
Ansteuersignal 1, beispielsweise eine angelegte Spannung,
gibt einen schnellen zyklischen Wechsel von Leuchtphasen und Dunkelphasen
des Leuchtkörpers
vor. Bei bestimmungsgemäßer Funktion
leuchtet (Leuchtphase) der Leuchtkörper in Phasen hoher Spannung
(Bezugszeichen 1a) und bleibt dunkel (Dunkelphase) in Phasen
niedriger Spannung (Bezugszeichen 1b). Das Ansteuersignal 1 wird
von einem Mikroprozessor erzeugt. Der Mikroprozessor führt hierzu
einen Ansteuerungsprozess aus.
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Derselbe
Mikroprozessor ist geeignet, Strommessungen vorzunehmen, und ist
mit dem Leuchtkörper
und dessen Beschaltung so verbunden, dass er geeignet ist, den Strom
durch den Leuchtkörper
zu messen. Die Messungen werden von einem auf dem Mikroprozessor
ablaufenden Strommessprozess ausgelöst.
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Das
obige Vorgehen zur Überwachung
der Funktion eines Leuchtkörpers
sieht eine Strommessung in einer Leuchtphase vor. Um den Strom durch den
Leuchtkörper
in einer Leuchtphase zu bestimmen, wird von dem Mikroprozessor zu
einem geeigneten Zeitpunkt eine Strommessung ausgelöst. Die Strommessung
und deren Zeitpunkt sind in 1 durch
den senkrechten Pfeil 2 dargestellt. Der Zeitpunkt der
Strommessung ist so gewählt,
dass er in einer Leuchtphase des Leuchtkörpers liegt. Erreicht wird
dies durch eine Synchronisation des auf dem Mikroprozessor ablaufenden
Strommessprozesses mit dem auf dem Mikroprozessor ablaufenden Ansteuerungsprozess.
Zur Umsetzung der erfindungsgemäßen Synchronisation
genügt
im vorliegenden Fall also die zeitliche Abstimmung zweier auf einem
Mikroprozessor ablaufenden Prozesse. Beispielsweise kann der Ansteuerungsprozess
zur Auslösung
der Messung eine Auslösenachricht
an den Strommessprozess senden.
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In
Weiterbildung der Erfindung wird im vorliegenden Fall die Leuchtphase,
in welcher die Strommessung stattfindet, zeitlich gegenüber anderen Leuchtphasen
verlängert.
Beispielsweise kann der Ansteuerungsprozess immer dann, wenn er
zur Auslösung
einer Messung eine Auslösenachricht
an den Strommessprozess sendet, eine solche Verlängerung vorsehen.
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Ein
Zeitschema für
die erfindungsgemäße zeitliche
Synchronisation zwischen der Ansteuerung des Leuchtkörpers und
der Helligkeitsmessung zur Bestimmung einer Umgebungshelligkeit
gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
ist in 2 abgebildet.
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Das
Ansteuersignal 3 gibt auch hier einen schnellen zyklischen
Wechsel von Leuchtphasen und Dunkelphasen des Leuchtkörpers vor.
Bei bestimmungsgemäßer Funktion
leuchtet der Leuchtkörper in
Phasen hoher Spannung (Bezugszeichen 3a) und bleibt dunkel
in Phasen niedriger Spannung (Bezugszeichen 3b). Das Ansteuersignal 3 wird
wieder von einem Mikroprozessor erzeugt, welcher hierzu einen Ansteuerungsprozess
ausführt.
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Derselbe
Mikroprozessor ist mit Mitteln zum Vornehmen einer Helligkeitsmessung
an dem Leuchtkörper
so verbunden, dass er geeignet ist, die Helligkeit in unmittelbarer
Nähe des
Leuchtkörpers zu
messen. Die Messungen werden von einem auf dem Mikroprozessor ablaufenden
Helligkeitsmessprozess zu geeigneter Zeit ausgelöst.
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Das
obige Vorgehen zur Überwachung
der Funktion eines Leuchtkörpers
sieht eine Helligkeitsmessung in einer Dunkelphase vor. Eine Helligkeitsmessung
und deren Zeitpunkt sind in 2 durch den
senkrechten Pfeil 4 dargestellt. Der Zeitpunkt der Helligkeitsmessung
ist so gewählt,
dass er in einer Dunkelphase des Leuchtkörpers liegt. Erreicht wird dies
durch eine Synchronisation des auf dem Mikroprozessor ablaufenden
Helligkeitsmessprozesses mit dem auf dem Mikroprozessor ablaufenden
Ansteuerungsprozess. Beispielsweise kann der Ansteuerungsprozess
zur Auslösung
der Messung eine Auslösenachricht
an den Helligkeitsmessprozess senden.
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In
Weiterbildung der Erfindung wird im vorliegenden Fall die Dunkelphase,
in welcher die Helligkeitsmessung stattfindet, zeitlich gegenüber anderen Dunkelphasen
verlängert.
Beispielsweise kann der Ansteuerungsprozess immer dann, wenn er
zur Auslösung
einer Helligkeitsmessung, welche in einer Dunkelphase stattfinden
soll, eine Auslösenachricht an
den Messprozess sendet, eine solche Verlängerung vorsehen.
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3 schließlich stellt
schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens
dar.
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Der
Mikrocontroller bzw. Mikroprozessor 5 steuert über Treiberelemente 6a und 6b sowie
einen Serienwiderstand 7 eine Leuchtdiode 8 an. Über einen
Spannungsabgriff 9 zwischen der Leuchtdiode 8 und
dem Serienwiderstand 7 ist mittels eines Analog-Digital-Wandlereingangs
des Mikrocontrollers 5 der Strom durch die Leuchtdiode
bestimmbar.
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Für Helligkeitsmessungen
ist nahe der Leuchtdiode 8 ein lichtempfindliches Element 10 angeordnet.
Das lichtempfindliche Element 10 ist einerseits über einen
Serienwiderstand 11 mit einer Spannungsquelle 12 verbunden
und andererseits mit einem Analog-Digital-Wandlereingangs des Mikrocontrollers 5.
Der Mikrocontroller kann somit auch Helligkeitsmessungen vornehmen.