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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff
des Hauptanspruches.
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Derartige
Maßnahmen sind aus der
DE 10 2004 047 669 A1 (dort insbesondere
in Zusammenhang mit
3a und
4b) bekannt. Danach werden Lichtquellen
in den drei Primärvalenzen (Grund- oder Primärfarben)
rot, grün und blau periodisch mit konstantem Strom bei
unabhängig voneinander einstellbaren Tastverhältnissen
betrieben und deren Farbabstrahlungen additiv gemischt. Bevorzugt
werden Lichtquellen wie Laser, Elektroluminiszenzelemente, organische
LEDs oder insbesondere Halbleiter-Leuchtdioden eingesetzt, da deren
Helligkeiten etwa linear vom Tastverhältnis der Speisung
mit den pulszeitmodulierten Konstantstrompulsen abhängen. In
der dort (
6) skizzierten CIE-Normfarbtafel, dem
auch sogenannten Chromazitätsdiagramm, ist der resultierende
Mischlicht-Farbort darstellbar. Dieser Farbort ist demzufolge über
wenigstens einen der drei primärfarbigen Helligkeitsbeiträge
verlagerbar. So ist jede Mischlichtfarbe innerhalb eines der Normfarbtafel
einbeschriebenen Farbdreieckes einstellbar, dessen Eckpunkte durch
die individuellen Farbabstrahlungen der zur Mischlichtbeleuchtung
eingesetzten drei primärfarbigen Lichtquellen gegeben sind.
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Über
die einzelnen Tastverhältnisse ist die jeweilige Intensität
des Beitrags der Primärfarben zum Mischlicht-Farbeindruck
variierbar und dadurch der Farbort gezielt veränderbar.
Je kürzer die periodisch wiederkehrende Einschaltzeitspanne
ist, desto kürzer ist der jeweilige Konstantstrompuls,
desto niedriger ist also das Stromzeitintegral des Stromflusses über
die jeweilige LED und desto geringer ist demzufolge die Helligkeit
des von dieser beigetragenen einfarbigen Lichts. Mit solcher Helligkeitsdynamik über die
Pulszeitsteuerung lässt sich allerdings gewöhnlich
nur ein Dimmverhältnis in der Größenordnung von
1:1000 zwischen dunkel und hell erzielen. Das reicht nicht mehr
aus z. B. zur Umsteuerung farbvariabler Dämmerungseindrücke
bei niedrigsten Helligkeiten der LEDs. Und insbesondere dann, wenn
bei schon starker Dimmung noch kleine Farbortkorrekturen zur Kompensation
von stromflussabhängigen Farbortverschiebungen wünschenswert
sind, also für die sogenannten Gamut-Farbkorrekturen, ist
ein um we nigstens eine Größenordnung stärkeres
Dimmverhältnis, also eine noch schwächere Ansteuerung
vor dem vollständigen Abschalten der LEDs anzustreben.
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Gerade
diese für hochwertige, farbkonstante Beleuchtungseffekte
erforderliche Gamut-Farbkorrektur bedingt sehr kurze Stromflusszeiten über
die Leuchtdioden. Damit kann beispielsweise kompensiert werden,
dass die Farborte der LEDs fertigungsbedingt variieren. Um dennoch
eine vorgegebene Grundfarbe darstellen zu können, werden
schon beim Fertigungsabgleich oder später im Betrieb die beiden
anderen Grundfarben mit geringsten Intensitäten beigemischt,
wie sie sich für den jeweiligen Farbort aus der CIE-Normfarbtafel
ergeben. Beispielsweise wird ein garantierter Farbort „blau,
ungesättigt" Gamut-korrigiert dadurch erzeugt, dass zusätzlich zur
Vollansteuerung (100%) der blauen LED die grüne LED zu
5% und die rote LED zu 2% angesteuert werden. Um diesen Farbort
bei geringer Helligkeit, etwa gedimmt auf 1%, in einer Ansteuerungsperiode von
3 ms Dauer darzustellen, ergibt sich für blau eine Einschaltzeit
von 1% der ganzen Periode, also 30 μs, für grün
1% von 5% gleich 0,05% (1,5 μs) und für rot 1%
von 2% gleich 0,02% (0,6 μs Stromfluss über die rote
LED). Solch intensives LED-Dimmen durch extrem kurze Stromimpulse
ist nur mit sehr schnellen und deshalb teuren Prozessoren wegen
der hohen erforderlichen Kodierungstiefe für eine derart
feingestaffelte Quantisierung realisierbar, samt leistungsstarken
Hochfrequenztransistoren als Konstantstromsenken für die
LEDs; also mit selten vertretbarem schaltungstechnischem Aufwand.
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Um
Spitzenbelastungen, etwa eines im Inselbetrieb arbeitenden Bordnetzes,
zu vermeiden, werden die LEDs der drei Primärfarben nicht
gleichzeitig, sondern zeitlich gegeneinander versetzt periodisch
pulszeitgesteuert eingeschaltet, um infolge der integrierenden Wirkung
des menschlichen Auges den daraus resultierenden Mischfarbeindruck
zu ergeben. Solche in unterschiedlichen Längen, zumal gegebenenfalls
sogar ohne gegenseitige zeitliche Überlappungen, aufeinanderfolgenden
verschiedenfarbigen Impulsbeleuchtungen können aber physiologisch
als störend empfunden werden. Denn eine diskontinuierliche
Beleuchtung hat einen das menschliche Auge störenden Farbtrennungseffekt
zur Folge, so dass – zumal auf einem vor einem Hintergrund
bewegten Gegenstand – unter Umständen kein stabiler Farbort
aufscheint. Außerdem können die periodischen,
unterschiedlich lang andauernden Farblichtabstrahlungen irritierende
Stroboskopeffekte insbesondere an dadurch intermittierend angestrahlten
periodisch bewegten Gegenständen hervorrufen; sowie Schwebungserscheinungen,
wenn Gegenstände mit geringfügig voneinander abweichenden
Frequenzen bestrahlt werden, wie etwa von aus unsynchronisierten
Netzen im Inselbetrieb gespeisten Lichtquellen.
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In
Erkenntnis vorstehend umrissener Gegebenheiten liegt der Erfindung
die technische Problemstellung zugrunde, die Helligkeitsdynamik
bei LED-Mischlicht zu starkem Dim men hin zu erweitern und damit
womöglich zugleich eine Verbesserung der physiologischen
Akzeptanz von Mehrfarben-Mischlichtbeleuchtung bei über
pulszeitmodulierbare Lichtquellen-Bestromungen einstellbaren Farborten
zu eröffnen.
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Diese
Aufgabe ist erfindungsgemäß mittels der im Hauptanspruch
genannten wesentlichen Merkmale gelöst.
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Danach
wird die, infolge des Stromzeitintegrals die Abstrahlhelligkeit
bestimmende, Konstantstromflusszeitspanne über einer jeden
der LEDs zu weiterem Abdunkeln bei schon kurzer Stromflusszeit nicht
noch weiter verkürzt; sondern es wird auf einen niedrigeren
Konstantstromwert unter daran, hinsichtlich des mit dem Stromzeitintegral
gegebenen Dimmzustandes, angepaßter Verlängerung
der Stromflusszeit umgeschaltet. Wegen der fortan niedrigeren Konstantstromstärke
ist die Stromflusszeit also wieder über die zuvor schon
erreicht gewesene kritische kurze Dauer hinaus verlängert,
so dass sie nun zu weiterem Abdimmen wieder verkürzt werden
kann.
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Da
durch die Verringerung der Konstantstromstärke der Farbort
des Lichts der Lichtquelle, insbesondere bei Verwendung von LEDs,
auswandern kann, muss dies gegebenenfalls über die Ansteuerung
einer oder der andersfarbigen Lichtquelle(n) kompensiert werden,
damit das erzeugte Mischlicht die gewünschte Farbmischung
bzw. den (vorher) bestimmten Farbort aufweist.
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Die
Umschaltung auf den niedrigeren Konstantstromwert kann – zumindest
für die gewählte Dimmstufe – grundsätzlich
erfolgen, so dass nur noch dieser niedrigere Konstantstrom über
die betreffende Lichtquelle fließt. Alternativ kann aber
auch in jeder Periode neu von dem regulären, ursprünglichen
Konstantstromwert auf den niedrigeren Konstantstromwert und/oder
auch zwischen zwei verschiedenen niedrigeren Konstantstromwerten
(und zurück) umgeschaltet werden. Wichtig ist jedoch, dass
die Summe der einzelnen Strom-Zeit-integrale dem Strom-Zeit-Integral
(bei regulärem Konstantstromwert) des für diese
Periode vorgegebenen Tastverhältnisses entspricht.
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Vorzugsweise
wird das Reduzieren des Konstantstromes auf einen niedrigeren Wert
unter Verlängern der Stromflusszeitspanne zum Erreichen
des bisherigen Stromzeitintegrales, aus dem heraus weiter abgedimmt
werden soll, derart ausgelegt, dass der Strom über die
Lichtquelle in der jeweiligen Periode nicht mehr unterbrochen wird.
Die LEDs der für die Farbmischung (den Farbort) benutzten
Farben werden also, jedenfalls bei starkem Dimmen, nicht mehr nach
Maßgabe des für den gewünschten Helligkeitsbeitrag
gewählten Tastverhältnisses periodisch lückend
mit einer festen Stromstärke betrieben, sondern es erfolgt
grundsätzlich oder innerhalb jeder Periode zu variablem
Zeitpunkt ein Umschalten der Stromstärke auf wenigstens
einen von gegebenenfalls mehreren zur Verfügung stehenden
anderen Werten.
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So
kann also während jeweils einer Periode von einer großen
bzw. maximalen Stromstärke ausgehend für die verbleibende
Teilperiode auf Konstantstromspeisung mit einer kleineren Stromstärke ungeschaltet
werden; aber auch umgekehrt. Insbesondere die kleinere Stromstärke
kann auch je nach dem Verhältnis der beiden Teilperioden
stufenlos variierend jeweils so gewählt werden, dass die
Summe der beiden Stromintegrale der aktuellen Periode der steuerungstechnischen
Vorgabe des Tastverhältnisses der reinen Konstantstrom-Pulszeitmodulation entspricht.
Zweckmäßiger ist es, eine oder mehrere feste Stromabstufungen
vorzugeben und den Zeitpunkt des Umschaltens zwischen diesen Konstantströmen
gemäß der vorgegebenen Summe der Stromintegrale
zu bestimmen.
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In
entsprechender Weise kann die Periode mit niedrigem Konstantstrom
begonnen werden, um später auf volle Stromstärke
umzuschalten. Insbesondere muss kein einstufiges Umschalten erfolgen, auch
aus mehreren Strom-Zeit-Flächen für unterschiedliche
Konstantstromzeitspannen lässt sich das für eine
bestimmte Helligkeit vorgegebene Stromintegral aufsummieren, weil
ja die Trägheit des menschlichen Auges in erster Linie
Helligkeitsintegrale wahrnimmt.
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Die
Anwendung dieser Steuerung beschränkt sich weder auf LEDs
als den Lichtquellen für die drei Primärfarben
noch auf Einsatz nur der drei Primärfarben, auch weitere
Lichtquellen, etwa gelbe und weiße, wie sie zum Auffüllen
und Aufhellen des Spektrums zusätzlich eingesetzt werden
können, erfahren diese erfindungsgemäß ausgelegte
Stromvariation zum Vermeiden kritisch kurzer Stromflusszeitspannen,
möglichst bei nichtlückender Ansteuerung. Das
Verfahren lässt sich mit allen periodisch schaltenden Modulationsverfahren
wie insbesondere Pulsweitensteuerung oder Pulsfrequenzsteuerung der
jeweiligen Stromflüsse über die einzelnen Farblichtquellen
realisieren bzw. kombinieren.
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Zusätzliche
Weiterbildungen dieser erfindungsgemäßen Lösung
ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und, auch hinsichtlich
deren Vorteilen, aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung
auf das Funktionswesentliche abstrahiert skizzierten bevorzugten
Realisierungsbeispieles zur Erfindung. In der Zeichnung zeigt:
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1 in
stark vereinfachtem Blockschaltbild eine periodische Stromansteuerung
einer Leuchtdiode unter Umschalten ihres jeweils konstanten Diodenstromes
zwischen zwei vorgegebenen Stromstärken mit oder ohne Unterbrechung
des Stromflusses während der Periode,
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2 im
Zeitdiagramm ein Beispiel für die Ansteuerung nach 1 und
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3 im
Zeitdiagramm ein weiteres Beispiel für die Ansteuerung
nach 1.
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Das
Blockschaltbild der 1 stellt ein Prinzipbeispiel
für die veränderbare Bestromung einer LED als
Farblichtquelle 11 dar. In der Praxis ist eine Anzahl von
gleichfarbig abstrahlenden solchen Lichtquellen 11 in Reihe
geschaltet. Für unterschiedliche Farblichtquellen erfolgt
die Bestromung unabhängig voneinander auf gleiche Weise.
Die additive Mischung dieser Farbbeiträge mit unterschiedlich
vorgebbaren Helligkeiten bestimmt den Farbort der resultierenden
Mischlichtfarbe. Die jeweiligen Helligkeiten der Farbbeiträge
sind durch die periodischen Stromintegrale bestimmt.
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Die
Periode P wird von einem Zeitglied 12 vorgegeben. Über
ein Stellglied 13 wird die Abstrahlhelligkeit der Lichtquelle 11 als
Tastverhältnis z/T für eine bestimmte Konstantstromstärke,
etwa den Maximal- oder Nominalstrom I0 vorgegeben.
Der Strom wird aus einer Spannungsquelle 14 geliefert,
welcher, in Reihe mit der wenigstens einen Lichtquelle 11,
eine Konstantstrom-Stromsenke 15 nachgeschaltet ist. Letztere
wird am einfachsten als bipolarer Transistor 16 in Emitterschaltung
realisiert. Dessen Emitterwiderstand 17 bestimmt den Strom über
den Transistor 16. Mittels dessen ist deshalb die momentane
Stärke des Konstantstromflusses über die Lichtquelle 11 umschaltbar.
Es kann aber auch (entgegen dem Ausführungsbeilspiel nach 1)
vorgesehen sein, einen Transistor als reine Schaltstufe einzusetzen
und stattdessen an der Spannungsquelle 14 zwischen unterschiedlichen
konstanten Ausgangsströmen umzuschalten.
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Dieses
Umschalten kann zum einen derart erfolgen, dass die Konstantstromstärke
grundsätzlich auf einen niedrigeren Wert gesetzt wird,
wobei das Tastverhältnis z/T insofern geändert
wird, dass die Stromflusszeit während einer Periode P derart
verlängert werden muss, dass das Stromzeitintegral konstant
bleibt, um den Helligkeitseindruck nicht zu verändern.
Ist ein (weiteres) Dimmen der Lichtquelle 11 erwünscht,
so kann natürlich die Stromflusszeit verringert bzw. bei
Absenkung der Konstantstromstärke weniger verlängert
werden, damit das Stromzeitintegral und damit der Helligkeitseindruck
abnimmt.
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Das
Umschalten auf eine andere (niedrigere) Konstantstromstärke
kann zum anderen auch derart erfolgen, dass wenigstens einmal innerhalb
einer jeden Periode P zu einem gegenüber dem Abschaltzeitpunkt
z der vorgegebenen Tastperiode z/T vorgezogenen Umschaltzeitpunkt
z' auf einen Wert umgeschaltet wird, mit dem sich auch bei der fortan
geänderten Stromstärke innerhalb dieser Periode
P wieder das steuerungsseitig durch die Tastperiode z/T vorgegebene
Stromzeitintegral ergibt; wobei der Umschaltzeitpunkt z' in Hinblick
auf die danach folgende Stromstärke vorzugsweise so gewählt
wird, dass sich (wie in 3 skizziert) in der Summe gerade
wieder das vorgegebene Stromzeitintegral, also die Helligkeitsabstrahlung,
die steuerungsseitig über das Stellglied 13 mit
dem ursprünglichen Tastverhältnis z/T für diese
aktuelle Periode P vorgegeben wurde, nun über den gesamten
Rest T – z' der Periode P ergibt; so dass keine aus dem
Tastverhältnis z/T resultierend lückende Bestromung
der Lichtquelle 11 mehr vorkommt, sondern sich gleiche
Helligkeit nun mit ununterbrochener Bestromung bei wechselnden Konstantstromstärken
innerhalb jeder der aufeinanderfolgenden Perioden P einstellt.
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Die
von vorgegebener Stromänderung abhängige Verlagerung
des Schaltzeitpunktes von z nach z' innerhalb der Periode P wird
von einem Rechner 18 nach Maßgabe des für
die gewünschte Helligkeit angegebenen Tastverhältnisses
z/T also derart bestimmt, dass im Ergebnis das Strom-Zeit-Integral über
der Periode P beibehalten bleibt. Dementsprechend wird ein Umschalter 19 zum
Zeitpunkt z' innerhalb der Periode P angesteuert, um die Stromänderung
an der Spannungsquelle 14 oder wie dargestellt an der Stromsenke 15 zu
bewirken. Insoweit eine temperatur- bzw. stromabhängige
Farbortdrift zu erwarten ist (wie insbesondere bei rot und bei grün
abstrahlenden Leuchtdioden), ist eine der neuen Stromstärke
angepasste Gamut-Farbortkorrektur durch eine (geringfügig)
veränderte Ansteuerung andersfarbiger Leuchtdioden in der
Programmierung der Rechner 18 dieser andersfarbigen LEDs
vorgegeben, vorzugsweise durch tabellarische Angabe der resultierenden
Farborte, die bestimmten Stromstärken durch die gerade
betriebenen Farblichtquellen hindurch zugeordnet sind. Mittels solcher
sehr geringfügigen Beeinflussung der Farbmischung wird
ein etwa stromstärkenabhängiges Auswandern des
Farbortes aus der vorgegebenen Position im Farbdreieck kompensiert.
Damit kann insbesondere auch eine ständig angepasste Kompensation
von bei geringen Dimmgraden stromabhängig auftretenden Farbortverschiebungen
erfolgen, um einen vorgegebenen Farbort unabhängig vom
Dimmgrad stets einzuhalten.
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Die 2 zeigt
ein Zeitdiagramm einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Ansteuerung, bei welcher bereits zu Beginn der Periode P (d. h.
grundsätzlich) die Konstantstromstärke auf 0,67
I0 abgesenkt bzw. eingestellt wird. Zur
Erreichung desselben Helligkeitseindruckes ist sicherzustellen,
dass das Stromzeitintegral während einer Periode gegenüber dem
ursprünglich eingestellten Tastverhältnis z/T (Konstantstromstärke
von I0 für eine Stromflusszeitspanne
von 0,5 T) konstant bleibt. Deshalb ist bei der niedrigeren Konstantstromstärke
von 0,67 I0 die Stromflusszeitspanne bis
zum Abschaltzeitpunkt z'' auf 0,75 T einzustellen.
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Zum
weiteren Dimmen der Lichtquelle kann nun wie gehabt die Stromflusszeitspanne
verkürzt werden, bis – bei sehr kurzer Stromflusszeitspanne – wiederum
die Konstantstromstärke abgesenkt wird bei erst einmal
wieder verlängerter Stromflusszeit, die dann zum noch weiteren
Abdimmen wiederum verkürzt werden kann. Auf diese Weise
sind sehr viel stärke Dimmgrade erreichbar als mittels
herkömmlicher Pulsweitenmodulation mit gleich bleibender Konstantstromstärke.
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Natürlich
muss auch hier das stromstärkenabhängige Auswandern
des Farbortes der Lichtquelle 11, insbesondere bei Verwendung
einer Leuchtdiode, durch eine entsprechende Nachregelung andersfarbiger
Lichtquellen kompensiert werden, damit sich der Farbeindruck durch
den Dimmvorgang nicht verändert.
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Ein
weiterer Vorteil ergibt sich, wenn die Absenkung der Konstantstromstärke
derart vorgenommen wird, dass die dadurch erforderliche Verlängerung
der Stromflusszeitspanne dazu führt, dass die Lichtquelle 11 über
die gesamte Periode P nicht mehr ausgeschaltet werden muss, sondern
durchgehend betrieben werden kann. Dieser Betrieb mit nun nicht mehr
lückendem Strom ergäbe sich im Ausführungsbeispiel
gemäß 2 bei einer Absenkung der Konstantstromstärke
auf 0,5 I0, bei welcher die Stromflusszeitspanne
auf 1,0 T verlängert werden müsste.
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Gemäß dem
in 3 skizzierten Zeitablauf sei zu Beginn einer Periode
P für die Lichtstärke bei vollem Konstantstrom
I0 wieder ein Tastverhältnis z/T von
50% der Pulszeitsteuerung vorgegeben. Um eine zu starke Verkürzung
des Stromimpulses und dabei vorzugsweise zugleich auch eine Stromlücke, also
ein Abschalten der Lichtquelle während des verbliebenen
Rests T – z dieser Periode P zu vermeiden, wird schon zum
Umschaltzeitpunkt z' vor Erreichen des Abschaltzeitpunktes z = 0,5
T auf einen niedriger vorgegebenen Konstantstrom I0/3
umgeschaltet. Der Umschaltzeitpunkt z' liegt bei z' = 0,25 T, weil
sich dann bei diesem Beispiel das vorgegebene
Stromintegral I0 × z = 0,5 aus
I0 × z' + 0,3 I0 × (T – z')
= 0,5zusammensetzt, sich also die angestrebte Helligkeit mit
längerem Stromimpuls wieder einstellt, und ohne dass der
Strom unterbrochen wird.
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Dennoch
kann es unterschwellig als störend empfunden werden, wenn
ein großer so genannter Crest-Faktor vorliegt, weil die
Lichtquelle mit Beginn einer jeden Periode aufgrund des Einschaltens
des vollen Stromes auf einen sehr starken Stromgradienten reagieren
muss. Deshalb kann es zweckmäßig sein, etwa nach
ein- oder mehrstufiger Stromabschwächung zur Periodenmitte
hin den Strom danach spiegelbildlich, also ge genläufig
wieder zu erhöhen. Das verringert in wünschenswerter
Weise den Crest-Faktor, weil die Periode dann mit der Stromstärke
endet, mit der sie eingesetzt hatte und in der nächstfolgende
Periode wieder einsetzen wird. Mit weniger steuerungstechnischem
Aufwand wird der Crest-Faktor auch schon dadurch weiter erniedrigt,
dass der abgesenkte Stromfluss jeweils vor Periodenende beispielsweise
auf die Hälfte des Maximalwertes angehoben wird, mit dem
die Folgeperiode bis zum ersten Umschaltzeitpunkt startet.
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So
werden bei intermittierender Speisung insbesondere von lichtemittierenden
Dioden, für additive Überlagerung zu farbortvariablem
Mischlicht, unter Grenzbedingungen auftretende physiologisch störende
Erscheinungen wie Farbtrennungs- oder Stroboskopeffekte vermieden,
indem die durch ein periodisches Tastverhältnis einer pulszeitmodulierten Konstantstromspeisung
bestimmbare Abstrahlhelligkeit innerhalb der jeweiligen Periode
durch derartiges Umschalten zwischen verschiedenen Konstantstromstärken
realisiert wird, dass sich in der, über der Periode vorzugsweise
nicht mehr lückenden, Stromflächensumme ein Helligkeitsäquivalent,
nämlich wieder das Strom-Zeit-Integral des vorgegebenen, helligkeitsbestimmenden
Tastverhältnisses ergibt. Ein solches Umschalten kann bereits
mit Beginn der Periode P (d. h. z' = 0,0 T) oder auch erst innerhalb der
Periode P (z. B. z' = 0,25 T) und darüber hinaus auch mehrmals
erfolgen.
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- 11
- Lichtquelle,
insbesondere LED
- 12
- Zeitglied
- 13
- Stellglied
- 14
- Spannungsquelle
- 15
- Stromsenke
- 16
- Transistor
- 17
- Emitterwiderstand
- 18
- Rechner
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004047669
A1 [0002]