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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des
Lichtstroms einer Lichtquelle, die mindestens ein lichtemittierendes
Halbleiterelement, insbesondere eine LED aufweist. Ferner betrifft
die vorliegende Erfindung eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 8.
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Der
von einem Halbleiterelement bzw. einer LED erzeugte Lichtstrom hängt
von verschiedenen Umgebungsbedingungen sowie von der Betriebsdauer
der Lichtquelle ab. Als Umgebungsbedingung ist in diesem Zusammenhang
besonders die Umgebungstemperatur zu nennen.
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Für
den Benutzer einer Leuchte mit lichtemittierenden Halbleiterelementen
bzw. LEDs ist es wünschenswert, dass die Halbleiterelemente
stets die gleiche Beleuchtung erzeugen und die Helligkeit möglichst
unverändert bleibt. Zu diesem Zweck gibt es im Stand der
Technik verschiedene Ansätze, um die von einem Halbleiterelement
abgegebene Lichtleistung zu messen. Ist diese abgegebene Lichtleistung
erst einmal bekannt, so kann eine Nachregelung erfolgen, indem die
dem Halbleiterelement zugeführte Leistung variiert wird
und so die abgegebene Lichtleistung und somit auch der abgegebene
Lichtstrom auf den gewünschten Wert eingeregelt werden.
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Die
US 6,411,046 B1 offenbart
ein Verfahren, um die Lichtleistung einer Lichtquelle in Form mehrerer
LEDs zu messen. Dazu wird unmittelbar vor der Lichtquelle ein Photosensor
positioniert, der die von den LEDs erzeugte Helligkeit misst. Ferner
ist die Leuchte mit einem Temperatur-Sensor ausgestattet, der die
Temperatur des Kühlkörpers der LEDs misst. Weiter
ist die Leuchte mit einem Mikroprozessor ausgestattet, der anhand
der Messwerte einen funktionellen Zusammenhang zwischen der Helligkeit
der Lichtquelle und der Temperatur des Kühlkörpers
errechnet. Dementsprechend wird anschließend die an die
Lichtquelle abgegebene Gesamtleistung angepasst, um den Lichtstrom
der Leuchte konstant zu halten.
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Das
in der
US 6,411,046
B1 beschriebene Verfahren ist mit einem recht hohen Aufwand
verbunden. Besonders bei Leuchten mit mehreren LEDs muss sichergestellt
werden, dass der Photosensor tatsächlich einen Wert liefert,
der proportional zur Gesamtlichtleistung ist. Diese Aufgabe ist
insbesondere bei langgestreckten Leuchten nicht trivial. Ferner kann
das Messergebnis durch Fremdlicht, das beispielsweise von außen
auf den Sensor einfüllt, verfälscht werden.
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Bei
einem anderen bekannten Verfahren wird die von mehreren LEDs abgegebene
Lichtleistung bestimmt, indem die Temperatur an den LEDs oder in
unmittelbarer Nähe der LEDs gemessen wird. Anhand von Kennlinien
wird dann ausgehend von der gemessenen Temperatur die Lichtleistung
der Lichtquelle ermittelt. Dieses Verfahren ist jedoch nicht in der
Lage, Alterungseffekte zu berücksichtigen. Ferner müssen
Annahmen über das Lichtleistungs-Temperaturverhalten getroffen
werden, die nicht immer exakt sind.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein verbessertes Verfahren
zur Bestimmung des abgegebenen Lichtstroms bereitzustellen, das ohne
aufwendige externe Photosensoren und ohne die teilweise ungenauen
Kennlinien auskommt und somit die Nachteile der bisher aus dem Stand
der Technik bekannten Verfahren vermeidet.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Anspruch
1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß wird
dementsprechend vorgeschlagen, dass zunächst die Lichtleistung
auf Basis der der Lichtquelle zugeführten Leistung sowie einer
Bestimmung der von der Lichtquelle abgegebenen thermischen Leistung
ermittelt wird. Anschließend wird ausgehend von der Lichtleistung
der Lichtstrom ermittelt.
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Vorzugsweise
wird die abgegebene thermische Leistung anhand einer Temperaturmessung
bestimmt. Insbesondere kann die Temperatur an mindestens zwei verschiedenen
Orten gemessen werden. Dabei wird die Temperatur vorzugsweise an
einem Ort, der unmittelbar benachbart zu der Lichtquelle angeordnet
ist, und an einem zweiten, weiter entfernten Ort gemessen wird.
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Die
Lichtleistung kann dann als Differenz von Gesamtleistung und abgegebener
thermischer Leistung berechnet werden: P
Licht =
P
gesamt – P
thermisch.
Zur Bestimmung der abgegebenen thermischen Leistung muss der Wärmewiderstand
zwischen den Messpunkten bekannt sein. Vorzugsweise wird er in einer Kalibrierungsmessung
bestimmt, wobei dann die abgegebene thermische Leistung als Quotient
aus der Temperaturdifferenz zwischen den Messpunkten und dem Wärmewiderstand
berechnet
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Erfindungsgemäß wird
ferner eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Lichtquelle
mit mindestens einem lichtemittierenden Halbleiterelement mit einer
Steuereinheit, welche die der Lichtquelle zugeführte Leistung
regelt, und mit Mitteln zum Bestimmen des von der Lichtquelle ausgehenden Lichtstroms
vorgeschlagen, bei der die Schaltungsanordnung Mittel zum Bestimmen
der durch die Lichtquelle abgegebenen thermischen Leistung aufweist, wobei
die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, auf Basis der der Lichtquelle
zugeführten Leistung sowie der abgegebenen thermischen
Leistung den Lichtstrom zu bestimmen.
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Vorzugsweise
wird die abgegebenen thermischen Leistung mittels einer Temperaturmessung
bestimmt.
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Vorzugsweise
passt das Vorschaltgerät die der Lichtquelle zugeführte
Leistung so an, dass der Lichtstrom der Lichtquelle auf einen bestimmten Soll-Wert
geregelt wird. Dies kann durch eine Anpassung des LED-Stroms oder
durch eine geeignete Modulation des Stroms (z. B. PWM) erfolgen.
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Verschiedene
Ausführungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen
Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche. Sie werden
in der nachfolgenden Beschreibung der beiliegenden Zeichnung näher
erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Schaltungsanordnung, bei der mit Hilfe des erfindungsgemäßen
Verfahrens der abgegebene Lichtstrom einer LED ermittelt wird;
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2 den
zeitlichen Verlauf von abgegebener Lichtleistung, abgegebener thermischer
Leistung sowie aufgenommener Leistung einer LED.
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In 1 ist
eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung dargestellt,
die über eine Lichtquelle 1 in Form eine LED,
zwei Temperaturmessinstrumente 2 und 3 sowie eine
Steuereinheit 4 verfügt. Diese Bauteile sind im
dargestellten Ausführungsbeispiel alle auf einer Platine 5 angeordnet,
wobei alternativ hierzu auch eines der beiden Temperaturmessinstrumente
an anderer Stelle, beispielsweise an einem Gehäuse oder
einem Kühlkörper angeordnet sein könnte.
Wie später noch ausführlich erläutert
wird, ist wesentlich, dass beide Temperaturmessinstrumente 2 und 3 thermisch
miteinander verbunden sind.
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Bezüglich
der Lichtquelle ist anzumerken, dass diese selbstverständlich
auch aus mehreren LEDs beispielsweise in Form eines LED-Klusters
gebildet sein kann.
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Ziel
des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, den von
einem Halbleiterelement 1 abgegebenen Lichtstrom zu ermitteln.
Zu diesem Zweck wird zunächst einmal die von der Lichtquelle 1 abgegebene Lichtleistung
bestimmt. Ist diese Lichtleistung erst einmal bekannt, so kann daraus
der Lichtstrom leicht ermittelt werden.
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Vorzugsweise
ist die Steuereinheit 4 ferner derart ausgestaltet, dass
sie den durch die Lichtquelle 1 fließenden Strom
bzw. die Leistung stets so regelt oder moduliert, dass der von der
Lichtquelle 1 abgegebene Lichtstrom auf einen vom Benutzer
vorgegebenen Soll-Wert eingeregelt wird.
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Wird
die Lichtquelle 1 mit einer Gesamtleistung P versorgt,
so wird die der Lichtquelle 1 zugeführte Energie
nur teilweise in Form von Licht mit der Leistung PLicht abgestrahlt.
Ein nicht unerheblicher Teil der zugeführten Leistung P
wird in Form von Wärme mit der thermischen Leistung Pthermisch abgegeben. Es hat sich gezeigt,
dass der Anteil der zugeführten Gesamtenergie, der tatsächlich
als Licht abgegeben wird, nicht konstant ist. Er ist vielmehr abhängig
von verschiedenen Umgebungsbedingungen, wie etwa der Raumtemperatur,
und insbesondere auch von der Betriebsdauer bzw. Alterung der Lichtquelle 1.
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Um
den abgegebene Lichtstrom auf einen gewünschten Soll-Wert
regeln zu können, muss in einem ersten Schritt die abgegebene
Lichtleistung PLicht gemessen bzw. anderweitig
bestimmt werden. Erfindungsgemäß werden dazu als
Input-Parameter die der Lichtquelle 1 zugeführte
Leistung P sowie die von der Lichtquelle 1 abgegebene thermische
Leistung Pthermisch verwendet. Die tatsächlich
abgegebene Lichtleistung PLicht ergibt sich
dann als Differenz aus diesen beiden Größen: PLicht = Pgesamt – Pthermisch Zur Messung der thermischen Leistung
Pthermisch verfügt die in 1 gezeigt
Schaltungsanordnung über zwei Temperaturmessinstrumente 2 und 3,
die in einem gewissen Abstand zueinander angebracht und thermisch
gekoppelt sind. Das Temperaturmessinstrument 2 befindet
sich in unmittelbarer Nähe der Lichtquelle 1.
Die von der Lichtquelle 1 in Form von Wärme abgegebene
thermische Leistung Pthermisch führt
zu einer Erwärmung der direkten Umgebung der Lichtquelle 1.
Diese Temperatur T1 wird von dem Messinstrument 2 aufgezeichnet.
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Am
Ort des zweiten Messinstruments 3 ist der Einfluss der
Lichtquelle 1 auf die dort gemessene Temperatur T2 deutlich geringer.
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Ein
gewisser Anteil der von der Lichtquelle 1 erzeugten Wärme
wird allerdings durch die Platine 5 – bzw. das
Gehäuse oder einen Kühlkörper – weitergeleitet
und beeinflusst dementsprechend auch die Temperatur T2 am
Ort des Messinstrumentes 3. Dieser Effekt ist abhängig
vom Wärmewiderstand, der ein Maß für
die Wärmeleitfähigkeit eines Körpers
ist. Der Wärmewiderstand Rthermisch zwischen
zwei Punkten ist eine Konstante, die in der Einheit Kelvin pro Watt
angegeben wird. Um den Wärmewiderstand Rthermisch zwischen
den Orten der Messinstrumente 2 und 3 zu bestimmen,
genügt eine einmalige Kalibrierungsmessung, da es sich
bei dem Wärmewiderstand Rthermisch um
eine konstante Größe handelt.
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Ist
der Wärmewiderstand R
thermisch bekannt, so
kann ausgehend von der gemessenen Temperaturdifferenz die abgegebene
thermische Leistung P
thermisch berechnet
werden. Die entsprechende Gleichung lautet
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Wie
bereits oben beschrieben, kann dann in einem weiteren Schritt die
abgegebene Lichtleistung PLicht als Differenz
aus aufgenommener Gesamtleistung P und abgegebener thermischer Leistung
Pthermisch berechnet werden, ohne dass in
diesem Verfahren irgendwelche Annahmen bezüglich des Lichtleistungs-Temperaturverhalten
der Lichtquelle 1 getroffen werden müssen. Insbesondere
müssen keine Kennlinien, die die Lichtleistung PLicht in Abhängigkeit der Temperatur
der Lichtquelle 1 angeben, als bekannt vorausgesetzt werden.
Derartige Kennlinien wurden – wie eingangs erwähnt – bislang
zur Abschätzung der Lichtleistung verwendet, sie sind allerdings
nicht in der Lage, Alterungseffekte der Lichtquelle 1 wiederzugeben.
Da das hier offenbarte Verfahren von solchen Annahmen unabhängig
ist, ist es also zuverlässiger als die bisher bekannten
Verfahren, die lediglich auf einer Messung der Temperatur der Lichtquelle 1 sowie
auf Kennlinien beruhen. Das erfindungsgemäße Verfahren
ist insbesondere auch in der Lage, trotz sich zeitlich änderndem
Lichtleistungs-Temperaturverhalten der Lichtquelle 1 korrekte Messwerte
für die abgegebene Lichtleistung PLicht zu liefern.
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Aus
der nun bekannten Lichtleistung PLicht kann
dann in einfacher Weise der von der Lichtquelle 1 abgegebene
Lichtstrom berechnet werden.
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2 zeigt,
wie eine solche zeitliche Änderung des Lichtleistungs-Temperaturverhalten
eines lichtemittierenden Halbleiterelements 1 ablaufen könnte.
Auf der Abszisse ist der zeitliche Verlauf über einen nicht
näher bestimmten längeren Zeitraum aufgetragen.
Auf der Ordinate ist die entsprechende Leistung aufgetragen. Die
Kurve PLicht gibt die abgegeben Lichtleistung
an. Die Kurve P beschreibt die dem Halbleiterelement 1 zugeführte
Gesamtleistung. Dementsprechend ist der grau eingefärbte
Bereich 6 ein Maß für die abgegebene
thermische Leistung Pthermisch, die sich
bekanntlich als Differenz aus aufgenommener Gesamtleistung P und
abgegebener Lichtleistung PLicht ergibt.
Ferner ist der weiße Bereich 7 ein Maß für
die abgegebene Lichtleistung PLicht. Da wie
in 2 zu sehen ist, die Lichtleistung PLicht konstant
bleibt, ist auch der von dem Halbleiterelement 1 abgegebene
Lichtstrom konstant.
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In 2 wurde
angenommen, dass die abgegebene thermische Leistung Pthermisch im
zeitlichen Verlauf aufgrund von Alterungserscheinungen zunimmt. Üblicherweise
wünscht der Benutzer einer Leuchte, dass die Leuchte stets
dieselbe Helligkeit aufweist. Um also zu verhindern, dass ein Zunehmen der
thermischen Leistung Pthermisch gleichzeitig
auch zu einer Abnahme der abgegebenen Lichtleistung PLicht und
somit des abgegebenen Lichtstroms führt, muss die insgesamt
zugeführte Leistung P erhöht werden.
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Insgesamt
ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren,
den Lichtstrom einer Lichtquelle mit deutlich geringerem Aufwand
zu bestimmen, als es etwa für eine Messung mit optischen
Sensoren der Fall wäre. Ferner ist das Verfahren in der
Lage, zeitliche Änderungen im Lichtleistungs-Temperaturverhalten
des lichtemittierenden Halbleiterelements zu berücksichtigen,
da auf die Verwendung von lediglich eine Näherung darstellenden
Kennlinien verzichtet wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6411046
B1 [0004, 0005]
