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Die
Erfindung betrifft eine Leuchte, insbesondere zur Erzielung eines
tageslichtähnlichen
Leuchtspektrums, mit einer mehrere LED-Leuchtmittel aufnehmenden
Platine, wobei als LED-Leuchtmittel zumindest eine weiße LED und
eine farbige LED vorgesehen sind.
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Der
Betrieb einer Leuchte mit LEDs ist bereits grundsätzlich bekannt.
Die LED-Leuchtmittel werden zumeist als Einzelleuchten eingesetzt,
die ein spezifisches Farbspektrum abstrahlen. Zur Erzielung eines
tageslichtähnlichen
Spektrums ist es jedoch erforderlich, dass mehrere LEDs zusammenwirken.
Dabei ist auch erforderlich, dass komplexe Lichtsysteme aufgebaut
werden, durch welche ermöglicht
wird, einen größeren Raum,
in den kein oder nur teilweise Tageslicht fällt, durch ein solches tages lichtähnliches
Spektrum zu beleuchten. Die bisherigen LEDs erfordern aufgrund der
jeweiligen Einzelmontage einen erhöhten Aufwand zur Installation und
zur Ansteuerung.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Leuchte mit LED-Leuchtmittel zu schaffen,
welche modulartig aufgebaut ist und eine einfache Anpassung an verschiedene
Einbaubedingungen ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in
den weiteren Ansprüchen
angegeben.
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Durch
die Ausgestaltung einer Leuchte mit einer Platine, die zumindest
ein Lichtmodul aufweist, welche aus wenigstens zwei Strängen mit
LEDs besteht und durch eine Stromversorgung und Regeleinrichtung,
welche das zumindest eine Lichtmodul ansteuern, wobei jeder Strang
des Lichtmoduls durch einen Regler der Regeleinrichtung angesteuert
wird, ist eine an die Einbausituation angepasste Auslegung der Leuchte
in einfacher Weise ermöglicht.
Beispielsweise kann die Stromversorgung und Regeleinrichtung in
der Leuchte vorgesehen sein oder benachbart oder auch entfernt von
der Leuchte angeordnet werden. Durch den modularen Aufbau einer Grundeinheit
für eine
Leuchte ist ein hohes Maß an Flexibilität gegeben.
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Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
die Stromversorgung und Regeleinrichtung auf der Platine vorgesehen sind,
welche zumindest ein Lichtmodul aufnimmt und ein Mastermodul bildet.
Dadurch wird ein vollkommen integriertes System gebildet, welches
alle benötigten
Baugruppen umfasst, um eine Leuchte auszubilden.
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Des
Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Stromversorgung und
Regeleinrichtung als getrennte Baueinheit zur Platine vorgesehen
sind, welche das zumindest eine Leuchtmodul aufnimmt. Eine solche
Anordnung ist ein sogenanntes Tochtermodul. Dies weist den Vorteil
auf, dass es unmittelbar an das Mastermodul angedockt oder angesteckt
werden kann und die LEDs des zumindest einen Leuchtmoduls durch
die Stromversorgung und Regeleinrichtung des Mastermoduls mit versorgt
werden. Somit können
bevorzugt ein oder mehrere Tochtermodule in Reihe zueinander gesteckt
und an dem Mastermodul angedockt werden, so dass in einfacher Weise
großflächige Leuchten
geschaffen werden können.
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Nach
einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Stromversorgung und die Regeleinrichtung jeweils eine separate
Baueinheit bilden und getrennt zur Platine vorgesehen sind, die
zumindest ein Lichtmodul aufnehmen. Eine solche Anordnung kann eine
nachträgliche
Umrüstung
auf die erfindungsgemäße Leuchte erleichtern,
da dadurch ein flexibler Einbau der Komponenten ermöglicht ist.
Des Weiteren kann auch eine großflächige Verteilung
von LEDs für
eine Leuchte ermöglicht
werden. Diese großflächige Verteilung
kann insbesondere dadurch noch gefördert werden, dass die einzelnen
Stränge
eines Lichtmoduls ebenfalls getrennt voneinander angeordnet werden.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass das Master- und/oder Tochtermodul zumindest einen Temperatursensor
aufweisen. Dadurch kann im Bereich des jeweiligen Moduls eine separate
Temperaturerfassung ermöglicht
werden, um über
einen geeigneten Regeleingriff zu bewirken, dass sich keine Überhitzung
der Leuchte einstellt.
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Jeder
Strang im Lichtmodul weist bevorzugt eine individuelle Anzahl von
LEDs auf. Dadurch kann eine an die Anforderungen angepasste Leuchte
hergestellt werden. Beispielsweise ist dadurch ermöglicht,
dass die Anzahl von farbigen und weißen LEDs aufeinander abgestimmt
wird, wie auch die Kombination in der Anordnung der farbigen und
weißen
LEDs zueinander. Darüber
hinaus kann auch für
jeden Strang eine jeweils spezifische Leistungssteuerung ermöglicht werden.
Dies weist den Vorteil auf, dass ein gleichmäßiger, dem Sonnenlicht im sichtbaren Bereich
vergleichbarer Spektralverlauf erzielt werden kann. Durch eine solche
Abstimmung in der Anzahl der LEDs, deren Kombination und deren Leis tungsansteuerung
kann eine homogene Ausleuchtung erzielt werden, ohne dass sich Farbflecken
ergeben.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass mehrere in einem Strang zusammengefasste LEDs in Reihe geschalten
sind. Dies ermöglicht
eine einfache Ansteuerung und Stromversorgung. Bevorzugt ist das Stromversorgungsmodul
derart ausgelegt, dass mehrere in einem Strang vorgesehene LEDs
gleichzeitig betrieben werden können,
so dass auch eine flexible Aneinanderreihung von Tochtermodulen möglich ist.
Bei Eingangsspannungen von beispielsweise 90 V bis 230 V können bis
zu 100 LEDs in Reihe geschalten werden, wenn sie mit circa 3 V betrieben
werden.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass mehrere in einem Strang zusammengefasste LEDs dieselbe Wellenlänge aufweisen.
Dadurch lässt
sich eine einfache, aber auch spezifische Ansteuerung ermöglichen,
wodurch erzielt werden kann, dass die Lücken innerhalb beispielsweise
einem weißen
Licht durch farbige LEDs im Wesentlichen ausgefüllt werden können, um
eine für
das Auge homogene Ausleuchtung ohne Farbflecken zu erzielen.
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Die
Stromversorgung für
die erfindungsgemäße Leuchte
umfasst zumindest eine Sicherung, einen Netzfilter, einen Gleichrichter
und einen aktiven Fehlerkorrekturbaustein. Eine solche Stromversorgung
erzeugt beispielsweise eine Gleichspannung von 400 V, welche zur
Ansteuerung der Stränge
des zumindest einen Lichtmoduls vorgesehen sind.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass der Stromversorgung und der Regeleinrichtung eine Adaptereinrichtung
vorgeschalten ist. Eine solche Adaptereinrichtung ermöglicht,
dass Steuersignale für
die Ansteuerung der Leuchte auf den Netzstrom aufmoduliert werden.
Somit kann über
eine Anschlussleitung nicht allein die elektrische Leistung mit
Netzspannung, sondern auch zumindest ein digitales Steuersignal, übertragen
werden.
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Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung der Adaptereinrichtung ist in der
Adaptereinrichtung auch eine Auswerteeinheit für Signale vorgesehen, welche von
dem Master- und/oder Tochtermodul ausgesendet werden. Dies ermöglicht beispielsweise
die Überwachung
jedes einzelnen Stranges und insbesondere, ob ein oder mehrere LEDs
ausgefallen sind.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Adaptereinrichtung
ist vorgesehen, dass Signale von Sensoren angesteuert werden können. Bei solchen
Sensoren kann es sich um Temperatursensoren oder Helligkeitssensoren
handeln. Insbesondere die Helligkeitssensoren können dazu verwendet werden,
um das tatsächlich
vorherrschende Tageslicht im Raum zu erfassen und dementsprechend eine
Leistungsansteuerung für
das Lichtmodul auszugeben.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass der Adapterbaustein eine Echtzeituhr umfasst. Dadurch kann nach
Einschalten des Lichtsystems durch die Echtzeituhr zunächst eine
vorprogrammierte Helligkeit entsprechend der Tageszeit durch Ansteuerung
der LEDs erzielt werden. Diese Helligkeit kann in Abhängigkeit
der erfassten Daten des Helligkeitssensors entsprechend nachgeregelt
werden.
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Die
Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen
derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten
Beispiele näher
beschrieben und erläutert.
Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale
können
einzeln für
sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt
werden. Es zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer Leuchte als Blockbild,
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2 eine
schematische Ansicht eines modularen Aufbaus der Steuerung der Leuchte,
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3 eine
schematische Ansicht eines weiteren alternativen Aufbaus einer Leuchte
zu 2 und
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4 eine
schematische Darstellung eines Blockbildes einer Adaptereinrichtung.
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In 1 ist
eine schematische Darstellung einer Leuchte 11 als Blockschaltbild
dargestellt. Diese Leuchte 11 umfasst eine Platine 12,
auf welcher ein Lichtmodul 14 vorgesehen ist. Bei dieser
Ausführungsform
ist nur ein Lichtmodul 14 vorgesehen. Es können jedoch
auch mehrere Lichtmodule 14 auf der Platine 12 angeordnet
sein. Dieses Lichtmodul 14 wird von einer Stromversorgung 16 und
einer Regeleinrichtung 18 versorgt. Durch diese Anordnung
ist ein vollkommen integriertes System geschaffen, bei dem alle
Baugruppen zusammengefasst sind. Eine solche bestückte Platine 12 wird
als Mastermodul bezeichnet.
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Das
Lichtmodul 14 besteht bevorzugt aus zumindest zwei Strängen 21 mit
LEDs als Leuchtmittel. Bevorzugt sind fünf Stränge 21 zu einem Lichtmodul 14 zusammengefasst,
wobei drei Stränge 21 eine erste
Gruppe mit farbigen LEDs und die zwei weiteren Stränge 21 eine
zweite Gruppe mit weißen
LEDs bilden. Die erste Gruppe der farbigen LEDs umfasst eine LED 22 mit
einer Wellenlänge
von beispielsweise 490 nm bis 510 nm mit der Farbe Cyan, eine LED 23 mit
einer Wellenlänge
von 625 nm bis 635 nm, welche die Farbe Rot ausgibt und eine LED 24,
mit einer Wellenlänge
von 590 nm bis 605 nm, welche die Farbe Gelborange ausgibt. Alternative
Farbkombinationen sind ebenfalls möglich. Die zweite Gruppe der
weißen
LEDs umfasst beispielsweise eine kaltweiße LED mit einer Farbtemperatur
um circa 6000°K
und die warmweiße
LED eine Farbtemperatur um beispielsweise 3500°K. Die Kombination der warmweißen und
kaltweißen
LEDs ermöglicht
es, durch Veränderungen
der Verhältnisse
der Lichtleistung prinzipiell eine wärmere oder kühlere Lichtstimmung
zu erzeugen. Da die weißen
LEDs 26, 27 vor allem den Bereich der Empfindlichkeitskurve
des Auges abbilden, fehlen meistens genügend ausgeprägte Spektren
im gelben, roten und auch cyanfarbenen Spektralbereich. Deshalb
werden die weißen
mit farbigen LEDs kombiniert, die ihr maximales Spektrum genau in
dem fehlenden Spektrumsbereich der weißen LEDs haben. Dadurch wird
die Realisierung eines gleichmäßigen Spektralverlaufs
ermöglicht.
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In
jedem Strang 21 sind zwei oder mehrere LEDs mit gleicher
Wellenlänge
vorgesehen. Die Stränge 21 sind
durch die Regeleinrichtung 18 parallel zueinander geschalten.
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Die
Stromversorgung 16 umfasst zumindest eine Sicherung, einen
Gleichrichter, einen Netzfilter und einen optionalen aktiven Fehlerkorrekturbaustein,
um störende
Rückwirkungen
auf das Netz zu verhindern. Außerdem
sind weitere geeignete Komponenten vorhanden, wie beispielsweise
ein Kontrollbaustein 32 für die richtige Gleichspannung,
ein Treiber für
die Netzkommunikation 33, eine serielle Schnittstelle 34,
ein für
jeden Strang 21 vorgesehener Regler 36 und ein
Temperatursensor 37. An den Anschlüssen 38 kann das Netz
mit Eingangsspannungen ab circa 65 V bis circa 265 V angeschlossen werden.
Für bestimmte
Einsatzfälle
kann es jedoch sinnvoll sein, den Eingangsspannungsbereich nach unten
zu begrenzen, um beispielsweise eine Eingangsspannung ab 200 V zu
empfehlen. Als Ausgangsspannung erzeugt die Stromversorgung 18 eine
Gleichspannung von 400 V unabhängig
von der Netzspannung, welche über
Leitungen an jeden der parallel angeschlossenen Regler 36 geleitet
wird.
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Vor
dem Kontrollbaustein 32 ist eine serielle Schnittstelle 34 angeordnet, über die
der Kontrollbaustein 32 mittels eines externen Programmiergerätes programmiert
werden kann. Der Kontrollbaustein 32 beinhaltet in einem
Speicherbaustein alle Programme und Daten, die zur internen und
externen Kommunikation und für
die Regelung und Ansteuerung der LEDs 22 bis 27 erforderlich
sind, um in den einzelnen Programmschritten das Tageslicht nachzuempfinden.
Die Regler 36 sind nach Art eines Schaltnetzteiles aufgebaut
und stellen den für
die LEDs 21 bis 27 benötigten geregelten Ausgangsstrom über die
zu den Strängen 21 führenden
Leitungen zur Verfügung.
Die Information über
den jeweils geforderten Regelzustand erhalten diese vom Kontrollbaustein 32 über die
Leitungen 41.
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Der
Temperatursensor 37 erfasst die Temperatur der Platine 12 im
Bereich des Lichtmoduls 14, die durch die LEDs 21 bis 27 aufgeheizt
wird. Die erfassten Daten werden an den Kontrollbaustein 32 übertragen
und dort durch das gespeicherte Programm ausgewertet. Beispielsweise
werden in einer einfachen Programmversion bei Temperaturen, die höher sind
als die hinterlegte Grenztemperatur, die LED-Ströme der Stränge 21 prozentual
so abgesenkt, dass die Grenztemperatur nicht mehr überschritten
wird. In einer weiteren Version können auch die Temperaturkennlinien
der LEDs in einer Tabelle hinterlegt sein, und abhängig von
der Temperatur werden die Ströme
der einzelnen Stränge 21 so nachgeregelt,
dass die Farbtemperatur des abgestrahlten Lichtes entsprechend dem
aktuellen Schaltzustand erhalten bleibt.
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Die
vorgesehene Stromversorgung 16 weist den Vorteil auf, dass
diese variabel an unterschiedlichen Netzspannungen und Netzfrequenzen
anschließbar
ist und eine variable Anzahl von LEDs 22 bis 27 des
jeweiligen Strang 21 versorgen kann. Darüber hinaus
weist die Stromversorgung 16 den Vorteil auf, dass unterschiedliche
Anzahlen und Leistungsklassen von LEDs 22 bis 27 betrieben
werden können,
wodurch das Einsatzspektrum erheblich erweitert wird. Des Weiteren
weist die Stromversorgung 16 den Vorteil auf, dass für die Stromversorgung 16 der LEDs 22 bis 27 kein
Transformator zur Spannungswandlung verwendet wird, wodurch diese
Stromversorgung 16 sehr flach bauen kann. Es wird hierfür nur ein
geeignetes Gleichrichtersystem eingesetzt. Außerdem sind Strombegrenzer
vorhanden, die die benötigten
Gleichströme
niedriger Leistung zur Versorgung der LEDs bereitstellt.
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Die
Leuchte 11 kann auf verschiedene Arten programmiert werden.
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Eine
erste Variante ist dadurch gegeben, dass die Leuchte 11 mit
einem fest eingestellten Lichtspektrum leuchtet, sobald diese über einen Lichtschalter
eingeschalten wird. Dadurch kann die Leuchte 11 bei bereits
vorhandenen konventionellen Leuchten ohne weitere Änderungen
ersetzt werden. Beispielsweise kann eine Platine 12 gemäß 1 als solche
ausgebildet sein.
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In 2 ist
eine weitere Variante eines Aufbaus für eine Leuchte 11 dargestellt.
Bei dieser Leuchte 11 ist zwischen einem Schalter 44 und
einer Leuchte 11 eine Adaptereinrichtung 45 zwischengeschalten.
Solche Adapterbausteine werden nahe am Bediensystem oder Programmiersystem
angeordnet und haben die Aufgabe, die Steuersignale zur Ansteuerung
der Leuchte 11 auf die Stromversorgung mit beispielsweise
220 V Wechselstrom digital aufzumodulieren, um das Lichtmodul anzusteuern.
In der Steuereinrichtung 18 sind wiederum entsprechende Bausteine
vorgesehen, um diese Steuersignale herauszufiltrieren, so dass die
einzelnen Stränge 21 des Lichtmoduls 14 entsprechend
angesteuert werden. Ein durch die Netzleitung 46 zwischen
der Adaptereinrichtung 45 und der Leuchte 11 gebildeter
Datenbus funktioniert bidirektional, so dass nicht nur Signale an
die Leuchte 11 übertragen
werden, sondern auch Signale von der Leuchte 11 an Adaptereinrichtungen 45 gelangen
können.
Somit besteht die Möglichkeit
der Diagnose. Dadurch können
beispielsweise Temperaturkontrollen über den Temperatursensor 37 ermöglicht sein.
Ein gegebenenfalls erfasster Temperaturverlauf kann auf einem Monitor
ausgegeben werden, der über
die serielle Schnittstelle 34 des Adapterbausteins 45 anschließbar ist.
Diese Funktion gilt auch für
die Netzleitung 47 zwischen dem Schalter 44 und
der Adaptereinrichtung 45.
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Die
Adaptereinrichtung 45 ist in 3 näher dargestellt.
Diese umfasst einen Spannungswandler 51 mit niedriger Leistung,
der die weiteren nachfolgend noch beschriebenen Komponenten in der
Adaptereinrichtung 45 mit geeigneter Spannung versorgt.
Ein Prozessor 52 wertet Signale eines Betriebssystems aus,
wobei das Betriebssystem anstelle des Schalters 44 vorgesehen
sein kann oder an dieser Stelle Signale einkoppelt. Des Weiteren
kann der Prozessor 52 Signale einer Echtzeituhr 53 auswerten
und generiert daraus einen Informationsdatensatz. Dieser wird an
einen Wandlerbaustein 54 weitergeleitet, der die empfangenen
Signale in ein digitales Signal umwandelt, das von der Regeleinrichtung 18 der
Leuchte 11 ausgewertet werden kann. Umgekehrt moduliert
dieser Wandlerbaustein 54 Signale, die von der Leuchte 11 über die
Netzleitung 46 zur Adaptereinrichtung 45 gelangen.
Die in 3 dargestellte Adaptereinrichtung 45 ist
prinzipiell stromlos, wenn die Leuchte 11 ausgeschaltet
ist. Die Echtzeituhr 53 weist einen nicht dargestellten
Energiespeicher in Form eines Akkus oder Kondensators auf, der während der
Einschaltphase gepuffert werden kann, damit die Phasen überbrückt werden,
bei denen die Leuchte 11 ausgeschalten ist. Alternativ kann
auch eine Batterie eingesetzt werden.
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Der
Wandlerbaustein 54 erhält
seine Information über
eine Verbindungsleitung vom Prozessor 52. Datenbusleitungen 48 übertragen
bei Bedarf Signale von dem Bediensystem beziehungsweise Schalter 44 an
den Prozessor 52, über
den das zumindest eine Lichtmodul 14 gesteuert und eingestellt werden
kann. Die Datenbusleitung 48 kann beispielsweise als serielle
Datenleitung ausgebildet sein.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist das Bediensystem über
die Datenbusleitung 48 mit dem Prozessor 52 verbunden
und die Leitung 59 mit einer seriellen Schnittstelle 34.
An die serielle Schnittstelle 34 kann eine externe Kontroll-
und Diagnoseeinrichtung 56 angesteckt werden. Des Weiteren
kann diese serielle Schnittstelle 34 zur Programmierung
oder im Servicefall verwendet werden.
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In 4 ist
ein Blockschaltbild eines Leuchtsystems bestehend aus mehreren Modulen
dargestellt. Ein Schalter 44 beziehungsweise ein Bediensystem,
welches ebenfalls einen Schalter umfassen kann, steht mit einer
Adaptereinrichtung 45 in Verbindung, wobei zusätzlich noch
ein Datenbus die beiden Bauteile miteinander verbinden kann. Von
der Adaptereinrichtung 45 aus erstreckt sich eine Netzleitung 46,
die auch gleichzeitig die Datenbusleitung zwischen Adapterbaustein 45 und
Leuchten bildet, welche mehrere parallel angeordnete Leuchten versorgt, die
auch einen unterschiedlichen Aufbau aufweisen können. Die Leuchte 11 umfasst
einen Aufbau gemäß 1,
das heißt,
dass auf einer gemeinsamen Platine 12 ein Lichtmodul 14,
die Stromversorgung 16 und die dazugehörige Regeleinrichtung 18 vorgesehen
sind. Des Weiteren versorgt die Netzleitung 46 ein Modul
bestehend aus einer Regeleinrichtung 18 und einem Lichtmodul 14 und
stellt somit die Leuchte 11' dar.
Darüber
hinaus führt
die Netzleitung 46 von der Adaptereinrichtung 45 zu
einer weiteren Variante der Leuchte 11'',
bei der ein Modul bestehend aus einer Stromversorgung 16 und
einer Steuereinrichtung 18 vorgesehen ist, wobei die jeweiligen
Stränge 21 getrennt
im Raum vorgesehen sind.
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Des
Weiteren kann vorgesehen sein, dass zu den vorhandenen Lichtmodulen,
beispielsweise bei den Leuchten 11 und 11', weitere Tochtermodule angedockt
werden können.
Analoges gilt für
die Stränge 21,
an welche weitere Stränge
angedockt werden können.
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Die
in 4 dargestellten Ausführungsvarianten zeigen den
erfindungsgemäßen modularen Aufbau
zur Herstellung einer Leuchte 11 und zur Bildung eines
Leuchtsystems.