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Definitionen:
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CIE 1931:
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Das
CIE-Normvalenzsystem oder CIE-Normfarbsystem ist die Definition
der Internationalen Beleuchtungskommission (CIE – Commission
internationale de l'éclairage), Farben beruhend auf dem
menschlichen Farbwahrnehmungsapparat darzustellen. Diese Darstellung
erlaubt es, einen Farbort mit 2 Koordinaten darzustellen. 01 zeigt
das CIE 1931-Diagramm. Die Abszisse stellt den x-Wert des CIE 1931
Diagramms dar- die Ordinate den y-Wert des CIE 1931 Diagramms.
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Standardfarbtemperaturen:
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Standardisierte
Farben mit folgenden Farbtemperaturen können mit x, y-Koordinaten
wie folgt dargestellt werden.
| Farbe | x-CIE
1931 | y-CIE
1931 |
| 6500
K | 0,313 | 0,337 |
| 5000
K | 0,346 | 0,359 |
| 4000
K | 0,380 | 0,380 |
| 3500
K | 0,409 | 0,394 |
| 3000
K | 0,440 | 0,403 |
| 2700
K | 0,463 | 0,420 |
Tabelle
1: CIE 1931 Koordinaten von Standardfarbtemperaturen
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Gruppe B:
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Gruppe
B ist eine Leuchtdiode oder mehrere Leuchtdioden mit einer dominanten
Wellenlänge im Wertebereich zwischen 430 nm–480
nm.
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Ebenso
kann Gruppe B durch mehrere Leuchtdioden mit unterschiedlichen dominanten
Wellenlängen im Wertebereich zwischen 430–480
nm gebildet werden.
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Gruppe G:
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Gruppe
G ist eine Leuchtdiode oder mehrere Leuchtdioden mit einer dominanten
Wellenlänge im Wertebereich zwischen 500 nm–560
nm.
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Ebenso
kann Gruppe G durch mehrere Leuchtdioden mit unterschiedlichen dominanten
Wellenlängen im Wertebereich zwischen 500–560
nm gebildet werden.
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Gruppe R:
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Gruppe
R ist eine Leuchtdiode oder mehrere Leuchtdioden mit einer dominanten
Wellenlänge im Wertebereich zwischen 580 nm–650
nm.
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Ebenso
kann Gruppe R durch mehrere Leuchtdioden mit unterschiedlichen dominanten
Wellenlängen im Wertebereich zwischen 580–650
nm gebildet werden.
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Gruppe P:
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Gruppe
P ist eine Leuchtdiode oder mehrere Leuchtdioden wobei Leuchtdioden
der Gruppe B Phosphore anregen. Die Emissionsfarbe (Farbort im CIE
Farbdiagramm) wird durch die Art des Phosphors und die Menge des
Phosphors bestimmt.
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RGB-Technologie:
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Weißes
LED Licht kann durch die additive Mischung der drei Farben Rot (Gruppe
R), Grün (Gruppe G) und Blau (Gruppe B) erzeugt werden
(im Folgenden als RGB Lösung bezeichnet). RGB Lösungen
zeichnen sich durch geringe Farbwiedergabe aus.
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RGBA-Technologie:
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Durch
das Hinzufügen von Amber-LEDs kann die Farbwiedergabe erhöht
werden.
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Phosphor-Technologie:
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In
der Phosphorkonversions-Technologie (im Folgenden als Phosphor LED
bezeichnet) wird ein Teil des primären blauen Lichtes von
einem Konversionsleuchtstoff aufgenommen und als Licht in einem
höheren Wellenlängenbereich wieder emittiert.
Bei der richtigen Mischung von blauen LEDs mit Phosphoren kann weißes
Licht erzeugt werden. Die breitere Emission der Phosphore erzeugt
ein kontinuierlicheres Spektrum – die Farbwiedergabe ist
höher als bei RGB-Lösungen.
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Hybrid-Technologie:
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Die
Hybridtechnologie nutzt die Vorteile der Phosphor-Technologie und
der RGB/RGBA Technologie. Hier erfolgt die Kombination von monochromen
LEDs mit Phosphor LEDs.
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Die
in der
deutschen Patentanmeldung
10 2007 043 355.9 beschriebene Ausführungsform
einer grün-gelben Phosphor LED sehr guter Effizienz kombiniert
mit blauen und roten LEDs kann Weißlicht mit Farbtemperaturen
zwischen 2700 K und 6500 K mit hohem Ra erzeugen. Die Effizienz
dieser Hybridlösung ist sehr gut, die Komplexität
ist vergleichsweise gering.
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Dominante Wellenlänge
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Von
der Peak-Wellenlänge abweichende Wellenlänge,
maßgebend für den visuellen Eindruck. Wellenlänge
der Spektralfarbe, die, wenn in geeigneten Proportionen additiv
mit dem Unbuntpunkt gemischt, mit der betrachteten Farbvalenz zusammenfällt.
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Lichtausbeute einer Strahlungsquelle
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Quotient
aus dem ausgesandten Lichtstrom und der von der Strahlungsquelle
verbrauchten elektrischen Leistung.
Einheit: Im/W
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Temperaturkoeffizient der Dominanten Wellenlänge
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Änderung
der dominanten Wellenlänge bei Änderung der Umgebungstemperatur
bei festgelegtem Durchlassstrom in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur.
Einheit:
nm/K
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Temperaturkoeffizient der photometrischen
Kenngröße
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Änderung
der photometrischen Kenngröße bei Änderung
der Umgebungstemperatur bei festgelegtem Durchlassstrom in Abhängigkeit
der Umgebungstemperatur. Einheit Im/K
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Farbraum:
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Der
Farbraum ist ein Messraum für die einheitliche visuelle
Wahrnehmung „Farbe”. In dieser mathematischen
Konstruktion ist die Menge der jeweils betrachteten Farben enthalten.
Beispielhaft ist das Rechenmodell des CIE Farbraums ausgeführt:
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Weißes Licht:
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Farborte
auf oder in der Nähe der Plank'schen Kurve sind weißes
Licht. Die Planck'sche Kurve beschreibt die von einem schwarzen
Körper abgegebene Temperaturstrahlung, angegeben als Reihe
von Farborten im CIE Farbdiagramm. Diese Farben werden vom menschlichen
Betrachter als weiß empfunden. Der maximale Abstand von
der Plank'schen Kurve, der noch als weiß empfunden wird,
ist hier mit Mac Adams 10 begrenzt (übliche Angabe von
Toleranzfeldern für Lichtquellen, je kleiner die Zahl nach
Mac Adams, desto kleiner ist das Toleranzfeld).
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Nicht flüchtiger
Speicher
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Elektronikbauteile,
die auch ohne Aufrechterhaltung der Energieversorgung die Information
halten können. Beispielhaft sind folgende Ausführungen
angeführt: EPROM, EEPROM, Flash Speicher.
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Temperaturabhängiger
Widerstand
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Sind
Widerstände, deren elektrischer Widerstand sich in Abhängigkeit
der Temperatur verändert. Beispielhaft sind folgende Ausführungen
angeführt: Kaltleiter (PTC), Heißleiter (NTC).
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Einleitung:
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Die
LED-Technologie hat sich in den letzten Jahren so stark weiterentwickelt,
dass LED-Technologie in der Allgemeinbeleuchtung eingesetzt werden
kann. Der wesentliche Treiber für dieses Anwendungsgebiet war
und ist die rasante Effizienzsteigerung der Halbleiter.
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Produktionsprozess
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Halbleiter
für die LED Technologie können im Produktionsprozess
nicht exakt reproduzierbar hergestellt werden. So gibt es Produktionsschwankungen
bei der dominaten Wellenlänge, der Peakform, der Intensität
und weiterer Parameter.
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Temperaturkoeffizienten
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Im
Betrieb erwärmt sich der Halbleiter. Diese Erwärmung
bewirkt eine Veränderung der dom. Wellenlänge
(Temperaturkoeffizient der dominanten Wellenlänge) und
der Intensität (Temperaturkoeffizient der photometrischen
Kenngröße). Dieses Verhalten ist für
LEDs der Gruppen R, B, G, P, etc. unterschiedlich.
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Entwicklungszyklen
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Hersteller
von LED Halbleitern haben nicht synchrone Entwicklungszyklen für
die jeweiligen Gruppen von LEDs (Gruppe B, R, G, P, etc.). So kann
die Effizienz von LEDs der Gruppe B um z. B.: 30% gesteigert werden
und im gleichen Zeitrum die Effizienz der Gruppe R nur um z. B.:
20% gesteigert werden.
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Die
dem Konsumenten und der Industrie vertrauten Standardleuchtmittel,
wie Glühbirne, Halogenlampe, Energiesparlampe, Leuchtstoffröhre,
etc. haben definierte absolute Lumenpakete. Beispielhaft sind eine Auswahl
von Leuchtmittel in Tabelle Tab. 02 angeführt.
| Leuchtmittel | Im – absolut |
| Glühbirne
40 W | ca.
450 Im |
| Glühbirne
100 W | ca.
1200 Im |
| Halogen
20 W | ca.
400 Im |
| Energiesparlampe
18 W | ca.
1100 Im |
Tab.
02: Absolute Lumen von Standardleuchtmittel
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Durch
die rasante Entwicklung der LED Technologie kann bei konstanter
Leistungsaufnahme (in W elektrisch) durch die steigende photometrische
Effizienz innerhalb kurzer Zeit der absolute Lumenoutput um beispielhaft
20–30% gesteigert werden.
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Diese
durch den Produktionsprozess, durch unterschiedliche Temperaturkoeffizienten
und nicht synchrone Entwicklungszyklen nicht exakten Parameter erschweren
es, mittels RGB/RGBA oder Hybridtechnologien weißes Licht
reproduzierbar zu erzeugen.
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Aber
nur diese Technologien erlauben es, die Farbtemperatur zu verändern,
bzw. einen durch die LEDs definierten Farbraum aufzuspannen.
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Weiters
kann durch die steigende photometrische Effizienz der absolute Lumenoutput
jeder am Markt erhältlichen LED nicht gewährleistet
werden (bei konstanter Leistungsaufnahme).
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Stand der Technik:
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Ist
nach einem Defekt bzw. einer notwendigen Erweiterung eines RGB-RGBA
oder Hybrid LED-Moduls eine Neubeschaffung notwendig, kann kein
LED Hersteller sicherstellen, dass LEDs derselben Eigenschaft noch
zur Verfügung stehen. Aber nur die Reproduzierbarkeit von
definiertem LED Licht wird den Einsatz von LED Technologie in der
Allgemeinbeleuchtung ermöglichen.
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Nur
ein Farbsensor, der den Farbort bestimmt und somit die einzelnen
Farbanteile der RGB-RGBA oder Hybridlösungen berechnet
werden können, erlaubt eine genaue Farbortsteuerung und
wenn gewünscht, Intensitätssteuerung um einen
fixen Lumenoutput zu gewährleisten. Nicht für
jede Anwendung kann aber ein Farbsensor genutzt werden.
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Der
absolute Lumenoutput kann bei einer Steigerung der photometrischen
Effizienz nur durch eine Reduktion der elektrischen Leistungsaufnahme
erfolgen. Eine notwendige Ersatzbeschaffung würde den Austausch
der zugehörigen Elektronik bedingen bzw. eine nachträgliche
Intensitätskalibrierung erfordern.
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Mit
dem Gegenstand der
DE
101 03 422 A1 ist bekannt, dass der Farbton des Lichtes
durch unterschiedliche Ansteuerung von farbigen LEDs bestimmt werden
kann. Eine Speicherung bestimmter Ansteuersignale ist nicht vorgesehen.
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Mit
der der
DE 197 11
885 A1 wird der gewünschte Verlauf eines Ansteuersignals
für LEDs vorprogrammiert und in einem EPROM gespeichert.
Das Ansteuersignal wird jedoch nur für die Erzeugung von
Lichteffekten (Dimmen, Flackern) verwendet.
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Mit
der
DE 699 12 623
T2 wird eine Anzeigevorrichtung mit einem Feld aus LEDs
beschrieben, die durch eine programmierbare Steuerung wahlweise
ein- und ausgeschaltet werden. An eine Austauschbarkeit der LED-Module
bei gleichzeitiger Wiederherstellung der licht-optischen Eigenschaften
nach dem Austausch ist jedoch nicht gedacht.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein LED-Modul der
eingangs genannten Art in der Weise austauschbar zu gestalten, dass
nach Austausch des Moduls genau die gleichen licht-optischen Eigenschaften
ohne Einstellarbeiten an der Ansteuerelektronik erreicht werden.
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Die
Lösung der gestellten Aufgabe ist im geltenden Anspruch
1 gegeben.
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Das
erfindungsgemäße LED-Modul besteht aus der Kombination
mehrerer LEDs, z. B. LEDs von RGB-RGBA oder Hybridlösungen.
Zusätzlich befindet sich ein nicht flüchtiger
Speicher (z. B.: EPROM oder EEPROM) am LED-Modul. Dieses EPROM enthält
alle Parameter eines Farbraums für die Lichtsteuerung. Weiters
kann das EPROM Daten über die photometrische Effizienz
speichern.
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Diese
können dazu genutzt werden, das absolute Lumenpaket konstant
zu halten, trotz der zu erwartenden starken Steigerung der photometrischen
Effizienz. Weiters kann das EPROM weitere Daten speichern (Seriennummer,
max. erreichte Boardtemperatur, Betriebsstunden, etc.).
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Weiters
kann sich ein temperaturabhängiger Widerstand am LED-Modul
befinden. Somit können auch temperaturabhängige
Parameter für die Farbraumsteuerung und Intensitätskalibrierung
im EPROM gespeichert werden und somit für eine exakte Farbortsteuerung
genutzt werden.
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Diese
am LED-Modul gespeicherten Daten werden von der LED Ansteuerelektronik
ausgelesen und zur Berechnung der notwendigen Farbanteile herangezogen.
Da alle relevanten Daten am LED-Modul gespeichert sind, ist bei
einer notwendigen Ersatzbeschaffung nur ein Austausch des LED-Moduls
notwendig. Die Elektronik liest die Daten aus dem EPROM und kann
somit alle notwendigen Farbanteile errechnen. Der Farbort muss nicht
neuerlich kalibriert werden. Da auch Daten über die photometrische
Effizienz gespeichert werden können, ist es erstmals möglich,
bei notwendigen Ersatzbeschaffungen immer die gleichen absoluten
Lumenpakete zu erzeugen.
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Beispiel CIE 1931-Farbraum:
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Im
EPROM am LED-Modul sind alle Tristimuluswerte (X, Y, Z) jeder einzelnen
Farbe einer ROB-RGBA oder Hybridlösung gespeichert. Ebenso
sind alle temperaturabhängigen Parameter gespeichert. Da
der Y-Wert die Intensität repräsentiert, kann
dieses Formelwerk ebenso für die Intensitätskalibrierung
genutzt werden.
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In
der Software der LED-Ansteuerelektronik werden aus der gewünschten
Farbtemperatur die dazugehörigen CIE-Koordinaten berechnet.
Dazu werden beispielhaft folgende Formeln verwendet: ciex
= –1,2368·cct3 + 2,516·cct2 – 1,8671·cct + 0,804 ciey = 0,3595·cct3 – 0,3257·cct2 – 0,1748·cct + 0,4759
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Um
die Pulsbreiten für die jeweiligen Kanäle zu ermitteln
werden die Farbmetrikdaten (X, Y, Z) aus dem LED-Modul ausgelesen
und zur Berechnung herangezogen. Beispielhaft sind 3 Formeln dargestellt.
wobei:
pbP
... Pulsbreite für Kanal Grün (Phosphorgrün)
pbB
... Pulsbreite für Kanal Blau
pbR ... Pulsbreite für
Kanal Rot
XP, YP, ZP ... Parameter für Grün
(Phosphorgrün)
XB, YB, ZB ... Parameter für
Blau
XR, YR, ZR ... Parameter für Rot
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Wesentlicher
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass es nun mit den integrierten
elektronischen Bauteilen für die Farbaussteuerung und Intensitätskalibrierung
erstmals möglich ist, unterschiedliche LEDs von unterschiedlichen
Herstellern bzw. Entwicklungsstufen einzusetzen. Denn es ist aufgrund
der im EPROM abgespeicherten Werte ohne weiteres möglich,
jede beliebige LED nun entsprechend zu berücksichtigen. Werkseitig
werden bei der Auslieferung des LED-Moduls alle relevanten Werte
vermessen und im EPROM des LED-Moduls gespeichert. Die verwendete
LED-Ansteuerelektronik liest die notwendigen Daten aus dem EPROM
aus und verarbeitet diese für die Farbortsteuerung bzw.
Intensitätskalibrierung. Weiters kann über einen
temperaturabhängigen Widerstand periodisch die Temperatur
des LED-Moduls ausgelesen werden und zur Farbortsteuerung und Intensitätskalibrierung
genutzt werden.
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Es
wird also davon ausgegangen, dass ein LED-Modul vorhanden ist, auf
dem eine Mehrzahl von unterschiedlichen LEDs angeordnet ist, die
mit entsprechenden Leitungen nach außen geführt
sind.
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Gleichzeitig
ist auf der Platine des LED-Moduls noch ein EPROM angeordnet, in
dem die verschiedenen Farborte und photometrische Effizienzen bzw.
Intensitäten der verwendeten LEDs eingespeichert sind. Auf
diese Weise ist eine Zuordnung der Farborte zu den auf dem LED-Modul
verwendeten LEDs möglich und gegeben.
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Die
Ausgänge der LEDs am LED-Modul werden als Steuerkanäle
bezeichnet und diese Steuerkanäle sind in einer LED-Ansteuerelektronik
eingeführt.
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Jeder
Kanal (Stromversorgung) für jede LED wird als Konstantstromquelle
bezeichnet und betrachtet. Das EPROM wirkt mit seinen Daten auf
die Konstantstromquelle im Sinne einer Ansteuerung, um die Konstantstromquelle
auf einen bestimmten Strom einzustellen und diesen Strom dann der
LED zuzuführen.
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Auf
diese Weise wird durch die eingespeicherten Werte im EPROM stets
dafür gesorgt, dass die LED genau mit dem Strom versorgt
wird, wie es dem eingespeicherten Farbort im EPROM entspricht.
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Damit
kann reproduzierbar jeder Farbort jeder LED auf dem LED-Modul erzeugt
werden. Weiters kann reproduzierbar die Intensität berechnet
werden.
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Wird
nun das LED-Modul ausgetauscht, dann liest der in der LED-Ansteuerelektronik
angeordnete Mikroprozessor die Daten des ausgetauschten LED-Moduls
und zwar des dort angeordneten EPROMs aus und steuert nun wiederum
individuell die einzelnen Konstantstromquellen in der LED-Ansteuerelektronik
an, um wiederum nun das so angeschlossene LED-Modul mit einem solchen
Strom zu versorgen und zwar für jeden Kanal getrennt, um
wiederum jeden Farbort/Intensität jeder LED genau zu erreichen.
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Damit
wird sichergestellt, dass beim Austausch eines LED-Moduls auch das
EPROM mit ausgetauscht wird und somit eine Zuordnung zwischen LED-Modul
und der LED-Ansteuerelektronik und dem dort angeordneten Mikroprozessor
gegeben ist.
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Damit
ist sichergestellt, dass beim Austausch eines LED-Moduls stets immer
die gleichen Farborte/Intensitäten des LED-Moduls garantiert
sind.
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Da
LEDs unterschiedlicher Gruppen auch unterschiedliche Temperaturkoeffizienten
haben und dies beispielhaft über einen temperaturabhängigen
Widerstand gemessen und kompensiert werden kann, kann das LED-Modul
weiters mit einem temperaturabhängigen Widerstand kombiniert
werden (z. B. einem NTC oder PTC). Somit kann auch der Mikroprozessor
in der LED-Ansteuerelektronik die Daten bezüglich des Temperaturganges
auslesen und für die Errechnung der einzelnen Ströme
in der jeweiligen Konstantstromquelle nutzen.
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Es
gibt also zwei Ausführungsvarianten nach der vorliegenden
Erfindung, nämlich einmal ein EPROM, welches in der Lage
ist, den gewünschten Farbort/Intensität genau
pro Kanal einzustellen und ferner eine zusätzliche Berücksichtigung
eines Temperaturganges, welcher vom temperaturabhängigem
Widerstand eingelesen wird.
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In 2 ist
ein solches Ausführungsbeispiel dargestellt, wo erkennbar
ist, dass in einem LED-Modul 1 insgesamt z. B. drei unterschiedliche
LEDs 8–10 der Lichtfarben rot, grün
und blau angeordnet sind und jedem LED ein entsprechender Kanal 3, 4, 5 für
die Stromversorgung zugeordnet ist.
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Auf
der Platine des LED-Moduls 1 ist hierbei ein EPROM 2 angeordnet.
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Die
Kanäle sind alle in eine LED-Ansteuerelektronik 6 eingeführt,
in der ein Mikroprozessor 19 angeordnet ist. Ferner wirkt
der Mikroprozessor auf entsprechende Konstantstromquellen 12–14,
wobei jede Konstantstromquelle auf einen Kanal 3, 4, 5 wirkt.
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Der
Mikroprozessor 19 liest nun die Daten aus dem EPROM 2 über
einen eigenen Kanal aus und steuert dementsprechend die Konstantstromquellen 12–14 zur
Ansteuerung der Kanäle 3, 4, 5 an,
um so die jeweilige LED zur Erreichung eines idealen, voreingestellten
Farbortes/Intensität zu bringen.
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In 3 ist
das aktuelle Schaltbild einer solchen Anordnung dargestellt. Hieraus
ist erkennbar, dass die LEDs 11, 12, 13 jeweils
in voneinander getrennten Gruppen 8, 9, 10 (siehe 2)
angeordnet sind, wobei jeder Gruppe 8, 9, 10 ein
eigener Kanal 3, 4, 5 zur Ansteuerung
zugeordnet ist.
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Alle
Kanäle 3, 4, 5 werden über
einen Steckverbinder 14 dem EPROM 2 zugeführt.
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In 3 ist
noch dargestellt, dass am EEPROM zwei Ausgangskanäle 15 vorgesehen
sind, die ebenfalls über den Steckverbinder 14 laufen.
Es ist nicht dargestellt, dass am Steckverbinder 14 die
Ansteuerelektronik 6 ansetzt, in der ein Mikroprozessor 19 angeordnet
ist (siehe 2).
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Der
Mikroprozessor 19 seinerseits wirkt auf die Konstantstromquellen,
die von dem Mikroprozessor gesteuert werden und zwar in Abhängigkeit
von den Ausgangssignalen des EEPROM über den Ausgangskanal 15.
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Mit
der vorliegenden Erfindung ergibt sich der wesentliche Vorteil,
dass nun unabhängig von der Art, dem Alter und dem Entwicklungsstand
von einzelnen LEDs 8–13, stets ein LED-Modul 1 gegeben
ist, welches seine charakteristischen Daten in ein EPROM eingespeichert
hat. Durch die Zuordnung von LEDs und einem EPROM auf einem einzigen
LED-Modul ergibt sich der Vorteil, dass dieses leicht auswechselbar
ist und immer austauschbar ausgebildet ist, und beim Austausch immer
die gleichen Farborte/Intensitäten erzielt werden.
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- 1
- LED-Modul
- 2
- EPROM
- 3
- Kanal
- 4
- Kanal
- 5
- Kanal
- 6
- Ansteuerelektronik
- 7
- NTC-Widerstand
- 8
- LED
- 9
- LED
- 10
- LED
- 11
- LED
- 12
- LED
- 13
- LED
- 14
- Steckverbinder
- 15
- Ausgangskanal
- 16
- Konstantstromquelle
- 17
- Konstantstromquelle
- 18
- Konstantstromquelle
- 19
- Mikroprozessor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007043355 [0014]
- - DE 10103422 A1 [0035]
- - DE 19711885 A1 [0036]
- - DE 69912623 T2 [0037]
