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Die
Erfindung betrifft allgemein Beleuchtungs- und Anzeigeeinrichtungen.
Insbesondere betrifft die Erfindung in ihrer Helligkeit einstellbarer
Beleuchtungs- und Anzeigeeinrichtungen auf der Basis von Leuchtdioden.
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Es
ist bekannt, die Helligkeit von LED-Leuchten, wie etwa von Leselampen
durch Pulsweiten-Modulation einzustellen. Bei der Pulsweitenmodulation wird
der Betriebsstrom mit festgelegter Frequenz unterbrochen. Um die
Helligkeit einzustellen, wird das Taktverhältnis zwischen
den Phasen mit fliessendem Strom und Unterbrechungen variiert.
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An
sich sind pulsweitenmodulierte Steuerungen sehr effizient, da die
Leuchtdioden immer mit dem optimalen Betriebsstrom versorgt werden
können.
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Um
aber den Eindruck einer kontinuierlich leuchtenden Lichtquelle zu
erzeugen, ist es allerdings erforderlich, dass eine hohe Taktfrequenz
eingesetzt wird. Zudem müssen dazu auch steile Schaltflanken
erzeugt werden. Bei getakteten Signalen können jedoch Störsignale
abgestrahlt werden. Dies gilt um so mehr, je höher die
Leistung der Leuchte ist. Störsignale können andere
elektrische Geräte beeinflussen. Zudem bestehen auch gesundheitliche
Bedenken hinsichtlich der Einwirkung elektromagnetischer Felder.
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Auch
können je nach Anwendung auch Bedenken hinsichtlich der
Betriebssicherheit bestehen. In diesem Zusammenhang sei als Beispiel
die Innenbeleuchtung von Passagierflugzeugen genannt. In Passagierflugzeugen
ist während der Start- und Landephasen der Betrieb von
elektrischen Geräten untersagt, da deren elektromagnetische
Abstrahlung die Bordelektrik stören kann.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine regelbare Leuchtdioden-Lichtquelle
zur Verfügung zu stellen, welche eine geringere elektromagnetische
Abstrahlung aufweist oder eine solche Abstrahlung sogar gänzlich
vermeidet. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche
gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen
angegeben.
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Dazu
sieht die Erfindung eine Beleuchtungseinrichtung mit zumindest einer
Leuchtdiode als Beleuchtungsmittel vor. Die Steuerung der Beleuchtungseinrichtung
umfasst eine Eingangsschnittstelle, welche mit einer logischen Schaltung
verbunden ist. Mit der logischen Schaltung werden unter Ansprechen
auf Eingangssignale der Eingangsschnittstelle logische Signale erzeugt,
die dann in zugeordnete analoge Ausgangssignale umgesetzt werden,
mit welchen die eine oder mehrere Leuchtdioden betrieben werden.
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Im
Speziellen kann die Beleuchtungseinrichtung einen Digital-Analog-Wandler
umfassen, welcher in Abhängigkeit vom am Eingang des Digital-Analog-Wandlers
anliegenden logischen Signal ein analoges Ausgangssignal bereitstellt,
wobei der Durchflußstrom durch die Leuchtdiode vom analogen Ausgangssignal
des Digital-Analog-Wandlers abhängt. Am Eingang des Digital-Analog-Wandlers
ist die logische Schaltung angeschlossen, mit welcher logische Signale
erzeugbar sind, die vom Digital-Analog-Wandler in zugeordnete analoge
Ausgangssignale umgesetzt werden. An der logischen Schaltung ist
wiederum die Steuerungsschnittstelle angeschlossen, mit welcher
der logischen Schaltung Eingangssignale zuführbar sind,
die von der logischen Schaltung in die logischen Signale umgesetzt werden,
welche dem Digital-Analog-Wandler zugeführt werden.
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Mit
diesem Schaltungsprinzip wird auf eine Pulsweitenmodulation zur
Steuerung der Helligkeit der Leuchtdiode verzichtet und damit die
Nachteile durch Emission von Störsignalen vermieden.
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Zudem
erlaubt es der Einsatz einer logischen Schaltung, die Helligkeit
in vielfältiger Weise auf die jeweiligen Bedürftnisse
abgestimmt abstufbar auszulegen.
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Selbstverständlich
ist mit einer Steuerung der Helligkeit der Leuchtdiode nicht nur
eine binäre Betriebsweise im Sinne eines Ein- oder Ausschaltens gemeint,
sondern vielmehr eine Regelung der Helligkeit in einer Vielzahl
von sich unterscheidenden Helligkeitsstufen. Die Anzahl der möglichen
Helligkeitsstufen werden dabei letztlich nur durch die Auflösung des
Digital-Analog-Wandlers Grenzen gesetzt. Vorzugsweise sind zumindest
vier, besonders bevorzugt zumindest zehn verschiedene Helligkeitsstufen
möglich.
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Vorzugsweise
ist die Vorrichtung weiterhin dazu ausgebildet, eine Helligkeitsregelung
bereits durch sukzessive gleichartige Eingangssignale an der Eingangsschnittstelle
zu ermöglichen. Mit anderen Worten wird durch sukzessives
Eingeben von Eingangssignalen die Helligkeit der Leuchtdiode jeweils
verändert. Damit wird eine besonders einfache Bedienung
erzielt.
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Eine
besonders einfache Eingabeschnittstelle kann beispielsweise einen
Taster umfassen. Ein Taster ist insbesondere auch für die
vorstehend erwähnte Ausführungsform mit Veränderung
der Helligkeit der Leuchtdiode durch sukzessive Eingabe gleichartiger
Signale geeignet. Die Signale werden hier durch Betätigen
des Tasters erzeugt.
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Im
Speziellen kann dann die logische Schaltung dazu eingerichtet sein,
durch sequentielle gleichartige Eingangssignale jeweils verschiedene logische
Signale auszugeben, welche jeweils verschiedene analoge Ausgangssignale
des Digital-Analog-Wandlers bewirken, so dass durch wiederholtes
Anlegen eines Eingangssignals sich die Helligkeit der Leuchtdiode
sukzessive jeweils verändert.
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Eine
besonders einfache Bedienung ergibt sich dabei, wenn die logische
Schaltung dazu ausgebildet ist, auf sequentielle gleichartige Eingangssignale
hin jeweils logische Signale zu erzeugen, welche eine sequentiell
ansteigendes oder abfallendes analoges Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers
bewirken, so dass durch wiederholtes Anlegen eines Eingangssignals
die Helligkeit der Leuchtdiode sukzessive ansteigt oder abfällt.
Wird dazu beispielsweise ein Taster als Eingabeschnittstelle eingesetzt, so
wird die Leuchtdiode durch sukzessives Betätigen des Schalters
langsam heller oder dunkler.
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Die
Abfolge der Helligkeitsstufen kann je nach Ausbildung der Logik
in einer Schleife und/oder auch in Sprüngen erfolgen.
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Gemäß einer
Weiterbildung umfasst die logische Schaltung eine programmierbare
Logik. Dies ermöglicht es entweder anwenderseitig oder
auch durch den Hersteller verschiedene Regelungscharakteristiken
einzustellen. Beispielsweise kann die logische Schaltung in einfacher
Weise mittels eines Field Programmable Gate Arrays (FPGA) realisiert werden.
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Allgemein
kann die logische Schaltung durch logische Grundmodule, wie AND-,
NAND-, OR-, XOR-Gatter und Flip-Flops realisiert werden.
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Um
eine sukzessive Abfolge von Helligkeitsstufen zu realisieren, ist
es auch, insbesondere in Verbindung mit einer Eingangsschnittstelle,
die gleichartige Eingangssignale erzeugt, von Vorteil, wenn die
logische Schaltung einen digitalen Zähler umfasst. Die
vom Zähler ausgegebenen logischen Bitfolgen können
dann direkt vom Digital-Analog-Wandler in sukzessive an- oder absteigende
Signale umgesetzt werden.
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Besonders
bevorzugt werden weiterhin Direktumsetzer oder Parallelumsetzer
als Digital-Analog-Wandler eingesetzt. Diese Typen von Wandler sind
zwar für sehr feine Abstufungen aufgrund des Verdrahtungsaufwands
nicht gebräuchlich, sind allerdings sehr schnell, genau
und insbesondere auch unempfindlich gegen äußere
Störsignale. Zudem sind für die Erfindung keine
allzu hohen Auflösungen erforderlich. Eine für
den Benutzer akzeptable, quasi-kontinuierliche Dimmung kann bereits
mit einer geringen Wortbreite erzielt werden.
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Weiterhin
kann dem Digital-Analog-Wandler vorteilhaft eine Treiberschaltung
nachgeschaltet sein, welche vom Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers
gesteuert wird und den Strom durch die Leuchtdiode bestimmt. Damit
werden hohe Ströme durch den Wandler vermieden.
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Anwendungsgebiete
für die Erfindung sind insbesondere Beleuchtungseinrichtungen
im Bereich Transport/Verkehr, also in Fahrzeugen, Flugzeugen und
Schiffen, sowie allgemein Anwendungen, wo geringe Stromverbräuche
gewünscht sind. Die Beleuchtungseinrichtung kann dabei
unter anderem auch als Leseleuchte, zur Innenbeleuchtung oder als Beleuchtung
für Anzeigeinstrumente eingesetzt werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
und unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen näher
erläutert. Dabei verweisen gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder
entsprechende Elemente. Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild einer Beleuchtungseinrichtung,
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2 eine
Variante des in 1 gezeigten Beispiels,
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3 ein
Ausführungsbeispiel mit einem Taster und einem digitalen
Zähler,
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4 ein
Diagramm der Helligkeit der Leuchtdiode in Abhängigkeit
von der Gesamtanzahl N der Betätigungen eines Tasters,
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5 und 6 Varianten
des in 4 gezeigten Verlaufs, und
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7 eine
Ausführungsform eines Digital-Analog-Wandlers.
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1 zeigt
eine Beleuchtungseinrichtung 1 gemäß der
Erfindung. Das Prinzip dieser Beleuchtungseinrichtung mit einer
Leuchtdiode 11 als Beleuchtungsmittel basiert auf einem
Digital-Analog-Wandler 9, welcher in Abhängigkeit
von einem am Eingang 91 des Digital-Analog-Wandlers 9 anliegenden
logischen Signal am Ausgang 92 ein analoges Ausgangssignal
bereitstellt, wobei der Durchflußstrom durch die Leuchtdiode 11 vom
analogen Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers 9 abhängt,
und wobei am Eingang 91 des Digital-Analog-Wandlers eine
logische Schaltung 7 angeschlossen ist, mit welcher logische
Signale erzeugbar sind, die vom Digital-Analog-Wandler 9 in
zugeordnete analoge Ausgangssignale umgesetzt werden, und wobei
an der logischen Schaltung 7 eine Steuerungsschnittstelle 5 angeschlossen
ist, mit welcher der logischen Schaltung 7 Eingangssignale
zuführbar sind, die von der logischen Schaltung 7 in
die logischen Signale umgesetzt werden, welche dem Digital-Analog-Wandler 9 zugeführt
werden. Die Betriebsspannung wird von einer Versorgungsspannungs-Quelle 3 bereitgestellt.
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Anstelle
einer einzelnen Leuchtdiode 11 können allgemein,
ohne Beschränkung auf das in 1 dargestellte
Beispiel auch mehrere in Reihe und/oder parallel geschaltete Leuchtdioden
angeschlossen sein.
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2 zeigt
eine Variante des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels.
Bei der in 2 gezeigten Variante der Beleuchtungseinrichtung 1 ist dem
Digital-Analog- Wandler 9 eine Treiberschaltung 13 nachgeschaltet,
welche vom Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers 9 gesteuert
wird und den Strom durch die Leuchtdiode 11 bestimmt.
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Für
die logische Schaltung 7 kann bei den in den 1 und 2 gezeigten
Beispielen jeweils ein FPGA verwendet werden. Der FPGA gestattet eine
auf die Anwendung zugeschnittene Progammierung.
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Die
Steuerungsschnittstelle 5 ist gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als Taster ausgebildet.
Mit dem Taster werden durch Betätigung jeweils gleichartige
Schaltsignale als Eingangssignale für die logische Schaltung
erzeugt. Durch die sukzessive eingegebenen Schaltsignale wird die
Helligkeit der Leuchtdiode ebenfalls sukzessive verändert.
Insbesondere kann dazu die logische Schaltung eingerichtet sein,
aufgrund der sequentiellen gleichartigen Eingangssignale jeweils
verschiedene logische Signale auszugeben, welche jeweils verschiedene
analoge Ausgangssignale des Digital-Analog-Wandlers bewirken, so
dass durch wiederholtes Anlegen eines Eingangssignals sich die Helligkeit
der Leuchtdiode sukzessive jeweils durch Betätigung des
Tasters verändert. Besonders zweckmäßig
ist es dabei, wenn durch wiederholtes Anlegen des Eingangssignals,
also etwa durch wiederholtes Betätigen des Tasters die
Helligkeit der Leuchtdiode sukzessive ansteigt oder abfällt.
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Als
Beispiel kann von der logischen Schaltung ein vier Bit breites Wort
erzeugt werden, welches als logisches Signal an den Digital-Analog-Wandler 9 angelegt
wird. Durch Betätigen des Tasters oder durch ein entsprechendes
anders Schaltsignal wird der vorhergehend anliegende Bitwert hochgezählt
und damit vom Digital-Analog-Wandler 9 ein entsprechend
höheres oder niedrigeres analoges Signal erzeugt. So kann
der Bit-Wert 0000 eine ausgeschaltete Leuchtdiode 11, der Bit-Wert
0001 einen Betriebsstrom für eine Helligkeit von 5% des
Maximalwerts, der Bit-Wert 0010 einen Betriebsstrom für
eine Helligkeit von 10% des Maximalwerts, der Bit-Wert 0011 einen
Betriebsstrom für eine Helligkeit von 15% des Maximalwerts,
etc., repräsentieren. Insgesamt stehen so bei einem 4-Bit breiten
logischen Signal 16 verschiedene Helligkeitsstufen zur
Verfügung. Für viele Anwendungen ist eine solche
Abstufung bereits ausreichend. Je nach Anwendungsfall kann die Bitbreite
des logischen Signals sogar noch reduziert werden. Vorzugsweise
stehen ohne Beschränkung auf die hier anhand der Figuren
beschriebenen Ausführungsbeispiele aber zumindest vier
verschiedene Helligkeitsstufen zur Verfügung.
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3 zeigt
eine mögliche Realisierung des vorstehend beschriebenen
Ausführungsbeispiels. Als Eingabeschnittstelle 5 ist
ein Taster 51 vorgesehen. Durch Betätigen des
Tasters wird ein Schaltsignal erzeugt. Die logische Schaltung 7 umfasst
bei diesem Ausführungsbeispiel einen digitalen 4-Bit-Zähler 70.
Im speziellen ist bei dem in 3 gezeigten
Beispiel der Zähler 70 als Asynchronzähler ausgebildet.
Der Zähler 70 umfasst vier hintereinandergeschaltete
T-Flip-Flops 71, 72, 73, 74.
Dabei sind die nicht invertierenden Ausgänge der Flip-Flops jeweils
mit dem Eingang des nachfolgenden Flip-Flops verschaltet. An den
nicht invertierenden Ausgängen kann dann an den dort abzweigenden Leitungen 75, 76, 77, 78 das
logische Signal abgegriffen werden, wobei die Signifikanz der Bits
von der Leitung 75 ausgehend ansteigt. An der Leitung 75 liegt
dementsprechend das Least-Significant-Bit und an der Leitung 78 das
Most-Significant-Bit des logischen Zählersignals an. Jedesmal,
wenn der Taster 51 betätigt wird, wird dementsprechend
die an den Leitungen 75– 78 abgreifbare
Binärzahl um eins erhöht. Ist die Maximalzahl
erreicht, im Falle eines 4-Bit-breiten digitalen Zählers
also die Binärzahl 1111, beziehungsweise die Dezimalzahl 15,
so wird bei nachfolgendem Betätigen des Tasters 51 der Zähler
zurück auf Null gesetzt. Dementsprechend wird dabei die
Leuchtdiode wieder ausgeschaltet. Eine solche Betriebsweise ist
besonders einfach und für den Benutzer in vorteilhafter
Weise intuitiv erfassbar. Das vorstehend erläuterte Prinzip,
sowie das in 3 gezeigte Prinzipschaltbild
könne selbstverständlich auch entsprechend mit
anderen Bitbreiten realisiert werden.
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Ohne
Beschränkung auf die Ausführungsbeispiele ist
gemäß einer Weiterbildung der Erfindung daher
auch vorgesehen, die logische Schaltung so auszubilden, dass auf
sequentielle gleichartige Eingangssignale hin jeweils logische Signale
erzeugt werden, welche eine sequentiell ansteigendes Ausgangssignal
des Digital-Analog-Wandlers bewirken, so dass durch wiederholtes
Anlegen eines Eingangssignals die Helligkeit der Leuchtdiode zyklisch
sukzessive ansteigt, wobei nach Erreichen des Maximalwerts der Helligkeit
unter Ansprechen auf ein weiteres Eingangssignal die Leuchtdiode
auf den Minimalwert der Helligkeit gesetzt, vorzugsweise ausgeschaltet
wird. Der Zyklus beginnt dann an dieser Stelle erneut. Gemäß noch
einer Weiterbildung der Erfindung kann auch der umgekehrte Fall
realisiert werden, bei welchem durch Betätigung des Tasters
die Helligkeit sukzessive auf den Minimalwert sinkt und bei nochmaliger
Betätigung wieder auf den Maximalwert springt.
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4 zeigt
dazu zur Verdeutlichung in einem Diagramm den Verlauf der Helligkeit
der Leuchtdiode in Abhängigkeit von der Gesamtanzahl N
der Betätigungen des Tasters, wie er mit der in 3 gezeigten Schaltung
in Verbindung mit dem in 1 oder 2 gezeigten
Aufbau realisiert werden kann. Zunächst ist der Zähler
auf Null gesetzt. Nach fünfzehnmaligem Betätigen
des Tasters ist der Binärwert 1111, beziehungsweise ein
Spannungssignal an allen Leitungen 75–78,
korrespondierend zum Maximalwert der Helligkeit erreicht. Bei nochmaligem
Tasten ergibt sich durch die Binär-Addition wieder der
Binärwert 0000, so dass nach insgesamt sechzehnmaliger
Betätigung des Tasters die Leuchtdiode wieder ausgeschaltet
wird. Ab hier beginnt der vorstehend beschriebene Zyklus bei weitergehender
Betätigung des Tasters von Neuem.
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Anstelle
an den nicht-invertierenden Ausgängen können die
logischen Signale auch beispielsweise an den invertierenden Eingängen 79 des
logischen Zählers abgegriffen werden. In diesem Fall zählt
der Zähler rückwärts, so dass entsprechend durch
Betätigung des Tasters der in 5 gezeigte Helligkeitsverlauf
erzielt wird, bei welchem ausgehend vom Maximalwert die Helligkeit
sukzessive sinkt und dann wieder auf den Maximalwert springt.
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Gemäß noch
einer Weiterbildung ist auch eine sukzessive an- und danach wieder
absteigende Helligkeit möglich. Auch diese Ausführungsform
der Erfindung kann mit logischen Zählern als Bestandteil der
logischen Schaltung 7 realisiert werden. Einen entsprechenden
Helligkeitsverlauf zeigt 6.
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7 zeigt
ein Prinzip-Schaltbild eines für die Erfindung geeignete
Digital-Analog-Wandlers 9. Der Digital-Analog-Wandler 9 ist
bei diesem Ausführungsbeispiel als Direktumsetzer ausgebildet.
Dazu ist ein Spannungsteiler 91 mit Versorgungsspannungs-Eingängen 92 vorgesehen.
Aus der Versorgungsspannung werden mittels hintereinandergeschalteter
Widerstände 93 Spannungen herausgeteilt und über
Leitungen 94 einem Multiplexer 99 zugeführt.
Die Anzahl der herausteteilten Spannungen entspricht der Anzahl
der Abstufungen des Analog-Signals des Digital-Analog-Wandlers 9,
beziehungsweise der Anzahl möglicher Helligkeitsstufen der
Leuchtdiode. Bei dem in 7 gezeigten Beispiel werden
vom Spannungsteiler 91 sechzehn Spannungen entsprechend
sechzehn Helligkeitsstufen bereitgestellt. Entspricht der Minimalwert
der Helligkeit einer ausgeschalteten LED, kann eine der Leitungen auch
entfallen. Über die Anschlüsse 95, 96, 97, 98 werden
die logischen Signale der logischen Schaltung 7 zugeführt.
Bei dem in 7 gezeigten Beispiel sind dies
wiederum 4 Leitungen, so dass 4-Bit-Wörter als logische
Signale zugeführt werden können. Damit kann der
Digital-Analog-Wandler beispielsweise mit den Anschlüssen 95, 96, 97, 98 an
die Leitungen 75, 76, 77, 78 der
in 3 dargestellten Logik-Schaltung angeschlossen
werden. Vom Multiplexer 99 wird dann in Abhängigkeit
des logischen Signals an den Anschlüssen 95, 96, 97, 98 eine
der an den Leitungen 94 anliegenden Spannungen zum Ausgang 100 geschaltet,
an welchem die LED direkt, oder auch beispielsweise über
eine Treiberschaltung angeschlossen ist.
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Es
ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend
beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt
ist, sondern in vielfältiger Weise im Rahmen des Gegenstands
der Ansprüche abgewandelt werden kann. Insbesondere können
auch die Merkmale der Ausführungsbeispiele einzeln miteinander
kombiniert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0662609
A2 [0003]
- - EP 1195740 A2 [0003]