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Die
Erfindung betrifft einen Reflektor für eine Lichtquelle,
insbesondere eine LED, der mit mindestens zwei zueinander unterschiedlichen,
rotationssymmetrischen Reflexionsflächen ausgebildet ist, welche
an einer Stoßkante miteinander verbunden sind.
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In
der Praxis werden für Lichtquellen immer häufiger
Reflektoren gebraucht, die ihren Einsatz in kleinen und engen Bauräumen
finden. Dabei soll vermieden werden, dass Lichtverluste auftreten
oder thermische Probleme, die durch den kleinen Bauraum entstehen.
Meist werden Reflektoren für Lichtquellen verwendeten,
die nicht aus Freiflächen gebildet sind, sondern die für
die Optimierung der Lichtverteilung auf Basis mathematischer Berechnungen bestimmt
wurden. Regelmäßig werden Reflexionsflächen
verwendet, die eine Parabel-, Kugel- oder Kegelflächen
aufweisen.
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Aus
der
DE 102 18 662
A1 ist ein Reflektor für eine Fahrzeugheckleuchte
bekannt mit zwei Teilflächen unterschiedlicher Reflektorgeometrie,
die über eine Übergangsfläche miteinander
verbunden sind. Mittels der Übergangsfläche werden
die Teilflächen tangentenstetig miteinander verbunden.
Durch die Kombination mehrere Teilflächen mit unterschiedlicher
Reflektorgeometrie entstehen viele Übergangsbereiche, die
wiederum optimiert werden müssen, um eine homogene Lichtverteilung
in der gewünschten Austrittsrichtung zu erzeugen. Dies
kann nur in mehreren Herstellungsschritten realisiert werden, was
mit einem erheblichem Kostenaufwand verbunden ist. Im Fahrzeugbereich
verwendete Leuchtenreflektoren verfolgen aber generell die Zielstellung,
dass ein relativ schmaler Lichtkegel erzeugt wird, um die Leuchtstärke
in Fahrtrichtung oder in Richtung auf nachfolgende Fahrzeuge zu
erhöhen. Für den Einsatz im Rahmen allgemeiner
Beleuchtungsaufgaben, beispielsweise in Wohn- und Arbeitsräumen,
eignen sich derartige Reflektoren daher nicht.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Reflektor
bereitzustellen, der sich leicht fertigen lässt und eine
optimale Ausleuchtung einer größeren Fläche
auf kurzer Distanz ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe durch die Merkmale des Reflektors gemäß dem
beigefügten Anspruch 1 und durch eine Reflektoranordnung gemäß dem
Anspruch 15 gelöst.
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Der
erfinderische Reflektor für eine Lichtquelle umfasst mindestens
zwei unterschiedliche, rotationssymmetrische Reflexionsflächen.
Dabei besteht ein Vorteil der Verwendung mehrerer Reflexionsflächen
in der Möglichkeit, dass sich die abgegebenen Lichtkegel überschneiden
können, womit eine gleichmäßige Ausleuchtung
größerer Flächen erreichbar ist. Es können
sogenannten Freiflächen verwendet werden, sodass auf aufwendige
mathematische Berechnungen zur Bestimmung der Ablenkung und Streuung
des Lichts verzichtet werden kann. Auf den Einsatz von Linsen oder
anderen optischen Elementen (z. B. Streuscheiben) kann ebenfalls
verzichtet werden.
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Die
beiden Reflexionsflächen des Reflektors besitzen jeweils
die Form eines Konusstumpfs und sind an einer Stoßkante
miteinander verbunden. Die Stoßkante verläuft
vorzugsweise senkrecht zu der Rotationsachse des Reflektors und
liegt damit parallel zu den Deck- und Grundflächen der
beiden konusförmi gen Reflexionsflächen. Die Rotationsachse steht
senkrecht zu den Deckflächen und ist identisch mit der
Symmetrieachse der beiden konusförmigen Reflexionsflächen.
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Wesentlich
für die Erfindung ist, dass der Neigungswinkel der aneinander
gereihten konusförmigen Reflexionsflächen gegenüber
einer Strahlungsquellenfläche, die senkrecht zur Rotationsachse
des Reflektors liegt, unterschiedlich ist, wobei die erste Reflexionsfläche
mit der Strahlungsquellenfläche, einen ersten Winkel einschließt,
der größer ist als ein zweiter Winkel, der zwischen
der zweiten konusförmigen Reflexionsfläche und
der Strahlungsquellenfläche eingeschlossen ist, jeweils
gemessen im Inneren des Reflektors.
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Besonders
bevorzugt sind Ausführungsformen, die mehr als zwei konusförmige
Reflexionsflächen verwenden, wobei sich der Winkel zwischen
der jeweiligen Reflexionsfläche und der Strahlungsquellenfläche
schrittweise verringert, je weiter die Reflexionsfläche
von der Strahlungsquellenfläche entfernt ist, sodass sich
der Reflektorkonus zur Lichtaustrittsfläche hin zwar immer
weiter öffnet, die Steigung der aufeinanderfolgenden Reflexionsflächen
aber gleichzeitig immer größer wird. In erster
Näherung beschreibt die aus den mehreren Teilstücken
zusammengesetzte Reflexionsfläche daher eine Parabelform.
Dieser Freiflächenreflektor ermöglicht eine optimale
und gleichmäßige Lichtverteilung auf die auszuleuchtende
Fläche, die ohne Einsatz von jeglichen optischen Elementen
realisiert werden kann.
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Für
die Abdeckung des Reflektors können klare Abschlussscheiben
aus Glas oder kratzfestem Kunststoff eingesetzt werden oder es kann
auf eine Abdeckung ganz verzichtet werden. Um eine maximale Lichtausbeute
zu erlangen, ist es von Vorteil, die Oberfläche der Innenseite
des Reflektors mit einer gut reflektierenden Oberfläche
auszurüsten.
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Unter
Berücksichtigung der Geometrie des Reflektors kann aus
einem Abstand von ca. 1500 mm ein Lichtkegel mit einem Durchmesser
von ca. 500 mm realisiert werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird darüber hinaus durch eine Reflektoranordnung
gelöst, in welcher mehrere einzelne erfindungsgemäße
Reflektoren zusammen geführt werden. Der Vorteil dabei
ist, dass auf einem sehr engen Raum eine sehr hohe Leuchtkraft erzeugt
wird und eine große Fläche gleichmäßig ausgeleuchtet
werden kann. Beispielsweise kann aus einem Abstand von ca. 1500
mm eine Fläche ausgeleuchtet werden, die einen Durchmesser
von ca. 1400 mm aufweist. Um diese auszuleuchtende Fläche
zu erreichen, sind die einzelnen Reflektoren beispielsweise um eine
Mittelachse matrixförmig angeordnet. Natürlich
können die Reflektoren auch in einer rechteckigen oder
sonstigen Form angeordnet werden, womit die Form der Ausleuchtungsfläche
angepasst werden kann.
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In
einer weiteren Ausführungsform liegt die Rotationsachse
eines ersten Reflektors in der Mittelachse der Reflektoranordnung.
Dabei definiert die Grundfläche des Mittelreflektors eine
Ebene die senkrecht zu der Mittelachse und zu seiner Rotationsachse
liegt. Um eine größere Fläche ausleuchten zu
können, werden weitere Reflektoren ringförmig um
diesen Mittelreflektor angeordnet. Die weiteren Reflektoren werden
winklig zur Grundfläche des Mittelreflektors positioniert,
beispielsweise in einem Winkel von 10° bis 20°,
so dass die Lichtaustrittsflächen der Reflektoren jeweils
gegenüber der Lichtaustrittsfläche des in der
Mittelachse liegenden Reflektors abgewinkelt sind. Der Schnittpunkt
der Rotationsachsen aller Reflektoren befindet sich vorzugsweise
auf der Mittelachse.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform der Reflektoranordnung
treffen sich die Verlängerungen der Rotationsachsen aller
Reflektoren, die jeweils eine Strahlungsquellenfläche mit
einem Durchmesser von etwa 50 mm besitzen, in einem Abstand von etwa
85 mm hinter der Strahlungsquellenfläche des mittig angeordneten
Reflektors.
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Die
Reflektoranordnung ist in ihrem Aufbau modular, was z. B. durch
geeignete Verbindungsmittel am Gehäuse jedes einzelnen
Reflektors erreichbar ist. Somit können je nach Bedarf
beliebig viele Reflektoren um die Mittelachse angeordnet werden, wodurch
sich die ausgeleuchtete Fläche vergrößert.
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Eine
weitere Ausführungsform der Reflektoranordnung verwendet
beispielsweise drei Reflektoren, die in einem stärkeren
Winkel (z. B. 30°) zueinander geneigt sind. Damit können
Lichtpunkte oder Lichtakzente gesetzt werden, die unterschiedliche Bereiche
ausleuchten.
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Eine
bevorzugte Variante der Reflektoranordnung besteht aus neun Reflektoren,
von denen acht Reflektoren ringförmig um einen mittig liegenden
Reflektor angeordnet sind. Durch solch eine Einstellung und Ausrichtung
der einzelnen Reflektoren wird eine optimale Ausleuchtung einer
Fläche erreicht, da sich in einem üblichen Abstand
zwischen einer Deckenlampe und einer Arbeitsfläche auf
einem Tisch überschneidende Leuchtkegel der einzelnen Reflektoren
ergeben.
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Eine
abgewandelte Ausführungsform umfasst ebenfalls neun Reflektoren,
die in einer 3×3 Matrix angeordnet sind.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Lichtquelle,
die in den Reflektoren eingesetzt wird, eine LED oder eine Anordnung
aus mehren LED's je Reflektor. Vorzugsweise werden LED's mit einem
Gehäusedurchmesser von 5 mm in einer Strahlungsquellenfläche
des Reflektors eingesetzt. Der Vorteil liegt gegenüber
anderen Leuchtmitteln vor allem in der längeren Lebensdauer
der LED's.
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Besonders
bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den
Figuren dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert.
Es zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Reflektors im Längsschnitt;
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2:
eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen
Reflektoranordnung im Längsschnitt;
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3: eine Draufsicht der Reflektoranordnung
mit in einer 3×3 Matrix angeordneten Reflektoren sowie
zwei Schnittansichten zur Verdeutlichung der Verkippung der Reflektoren;
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4:
eine Darstellung einer von der Reflektoranordnung gemäß 3 ausgeleuchteten Fläche;
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5:
eine vereinfachte Schnittansicht durch einen abgewandelten Reflektor
mit mehr als zwei Reflexionsflächen;
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6:
ein Prinzipschaltbild eines Tiefsetzstellers zur Ansteuerung von
LED's.
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Sämtliche
Figuren sind zur leichteren Veranschaulichung der Besonderheiten
der Konstruktion nicht maßstabsgerecht dargestellt.
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In 1 wird
ein Reflektor 01 im Längsschnitt gezeigt, der
zwei unterschiedliche Reflexionsflächen umfasst, nämlich
eine erste Reflexionsfläche 02 und eine zweite
Reflexionsfläche 03. Die Reflexionsflächen 02, 03 weisen
eine rotationssymmetrische konusförmige Stumpfform auf.
Die innen liegende Reflexionsseite der ersten Reflexionsfläche 02 schließt
mit einer Rotationsachse 09, welche senkrecht zu einer
Strahlungsquellenfläche 07 des Reflextors verläuft,
einen ersten Winkel α1 von hier
40° ein. Die Deckfläche des von der ersten Reflexionsfläche 02 beschriebenen
Konusstumpfes bildet die Strahlungsquellenfläche 07,
in deren Ebene die originäre Strahlungsquelle angeordnet
ist, von welcher also die durch den Reflektor zu reflektierende
Strahlung ausgeht. Der durch die erste Reflexionsfläche 02 gebildete
Konusstumpf erstreckt sich längs der Rotationsachse 09 des
Reflektors und öffnet sich in Strahlungsrichtung.
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Die
Reflexionsseite der zweiten konusförmigen Reflexionsfläche 03 schließt
mit der Rotationsachse 09, einen Winkel α2 von hier 30° ein. Die Rotationsachsen
beider Reflexionsflächen 02, 03 überlagern
sich mit der Rotationsachse 09 des Reflektors 01 und
stehen senkrecht zu der Ebene der Strahlungsquellenfläche 07.
Wesentlich für die Erfindung ist somit, dass der zwischen
Reflexionsfläche und Rotationsachse eingeschlossene Winkel
stufenweise kleiner wird, je weiter die Reflexionsfläche
von der Strahlungsquellenfläche entfernt ist.
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Die
erste Reflexionsfläche 02 ist mit der zweiten
Reflexionsfläche 03 entlang einer Stoßkante 13 verbunden.
Dabei weist die Grundfläche des von der ersten Reflexionsfläche 02 beschriebenen
Konusstumpfes den gleichen Radius wie die Deckfläche des
von der zweiten Reflexionsfläche 03 beschriebenen
Konusstumpfes auf. Die Stoßkante 13 verläuft senkrecht
zu der Rotationsachse 09 und liegt parallel zu der Ebene
der Strahlungsquellenfläche 07. Die zweite Reflexionsfläche 03 öffnet
sich stetig bis zu einer Lichtaustrittsfläche 11.
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In
der Ebene der Strahlungsquellenfläche 07 ist bei
der gezeigten Ausführungsform eine Basisreflexionsfläche 15 angebracht.
Die Basisreflexionsfläche 15 umfasst eine Öffnung
für die Montage einer Lichtquelle, welche in der 1 nicht
dargestellt ist. Die Basisreflexionsfläche 15 ist
mit der konusförmige ersten Reflexionsfläche 02 verbunden
oder einstückig ausgebildet. Wenn die Lichtquelle die Strahlungsquellenfläche
weitgehend ausfüllt, kann auf die Anbringung der Basisreflexionsfläche
auch verzichtet werden.
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Die
beiden konusförmigen Reflexionsflächen 02, 03 weisen
unterschiedliche Höhen auf, dabei ist in der Ausführungsform,
die nur zwei Reflexionsflächen verwendet, die erste Höhe
d1 der ersten Reflexionsfläche 02 kleiner
als die zweite Höhe d2 der zweiten
Reflexionsfläche 03, vorzugsweise im Verhältnis
1:3 bis 1:5. Für den Fall, dass die Lichtaustrittsfläche 11 einen
Durchmesser von 50 mm besitzt, hat sich eine erste Höhe
d1 von 6 bis 10 mm als zweckmäßig
erwiesen.
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Durch
die geometrische Form der konusförmigen Reflexionsflächen 02, 03 und
durch den unstetigen Übergang zwischen ihnen an der Stoßkante 13, werden
die Lichtstrahlen des Reflektors 01 ohne Hilfe weiterer
optischer Elemente optimal abgelenkt, um dabei einen Lichtkegel
zu erzeugen der einen Durchmesser von 500 mm bei einem Abstand von
1500 mm zur Lichtaustrittsfläche 11 hat. Zum Schutz
des Reflektors und der Lichtquelle kann eine Schutzscheibe 16 im
vorderen Abschnitt der zweiten Reflexionsfläche 03 eingesetzt
sein.
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2 zeigt
einen Längsschnitt einer Reflektoranordnung, die aus 3×3
gleichartigen Reflektoren 01 zusammengesetzt ist. Die Reflektoranordnung umfasst
einen Mittelreflektor 17, einen ersten außen stehenden
Reflektor 18 und einen zweiten außen stehenden
Reflektor 19. Der Längsschnitt zeigt anschaulich
die Positionierung der einzelnen Reflektoren zu einer Mittelachse 21.
Dabei überlagert die Rotationsachse 09 des Mittelreflektors 17 die
Mittelachse 21 der Reflektoranordnung, welche senkrecht
zur Lichtaustrittsfläche 11 des Mittelreflektors 17 verläuft. Die
zwei außen stehenden Reflektoren 18, 19 sind symmetrisch
in Bezug auf die Mittelachse 21 angeordnet. Um eine nicht
zu starke Überschneidung der aus den Reflektoren austretenden
Lichtkegel zu erreichen, sind die außen stehenden Reflektoren 18, 19 um
einen Kippwinkel αK gegenüber
dem Mittelreflektor 17 verkippt. Der Kippwinkel αK beträgt beispielsweise 10°,
gemessen zwischen den Lichtaustrittsflächen der außen
stehenden Reflektoren 18, 19 und der Ebene, in
welcher die Lichtaustrittsfläche des Mittelreflektors liegt.
Diese Art der Anordnung der einzelnen Reflektoren führt
zur Bildung einer konvexen Form der Gesamtlichtaustrittsfläche
der Reflektoranordnung, definiert durch die Lichtaustrittsflächen
aller einzelnen Reflektoren.
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3 zeigt drei Ansichten einer abgewandelten
Ausführungsform der Reflektoranordnung, bei welcher neun
Reflektoren 01 in einer 3×3 Matrix angeordnet
sind, sodass sich eine quadratische Leuchtfläche ergibt
(Abb. a). Die Gehäuse der einzelnen Reflektoren 01 haben
eine kreisrunde Lichtaustrittsfläche 11 mit einem
Durchmesser von z. B. 20 mm. Die Rotationsachsen 09 der
Reflektoren sind in x- und y-Richtung jeweils 21 mm voneinander
beabstandet, sodass ein kleiner Spalt zwischen den Gehäusen
verbleibt, der eine Befestigung in einer Grundplatte gestattet.
Aus den vereinfachten Längsschnittansichten in den Abb.
b) und c) der 4 ist ersichtlich, dass die
Verkippung von an den Ecken der Matrix stehenden Eckreflektoren 22 gegenüber dem
Mittelreflektor 17 unterschiedlich gestaltet ist im Vergleich
zu Randreflektoren 23, die an den mittleren Positionen
der Ränder der Matrix angeordnet sind. Die unterschiedliche
Verkippung wird aus den Schnittansichten entlang der Schnittlinien
A-A bzw. B-B ersichtlich und beträgt im gezeigten Beispiel
12° für die Eckreflektoren bzw. 13°,
für die Randreflektoren, jeweils bezogen auf die Lage der
Rotationsachsen 09 zueinander.
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In 4 ist
eine ausgeleuchteten Fläche dargestellt, wie sie bei Verwendung
der in 3 gezeigten Reflektoranordnung
in einem Abstand von ca. 1,5 m entsteht. Die Reflektoranordnung
führt zu einer maximalen Ausnutzung der einzelnen Lichtkegel,
wobei die Überschneidungen der Lichtkegel als gering betrachtet
werden können. Durch die unterschiedliche Verkippung der
Reflektoren kann trotz der matrixförmigen Anordnung eine
im Wesentlichen kreisförmige Ausleuchtung erreicht werden.
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5 zeigt
eine vereinfachte Längsschnittansicht durch eine abgewandelte
Ausführungsform eines Reflektors 01, bei welchem
die zweite Reflexionsfläche 03 in zahlreiche Teilabschnitte
unterteilt ist, die unterschiedliche Neigungen gegenüber
der Rotationsachse 09 aufweisen. An die Strahlungsquellenfläche 07 schließt
sich wieder die erste Reflexionsfläche 02 an,
in einem ersten Winkel α1 von 40° zur
Rotationsachse 09. An die erste Reflexionsfläche 02 schließt über
die Stoßkante 13 der erste Abschnitt 03a der
zweiten Reflexionsfläche an, in einem Winkel von 29° zur
Rotationsachse 09. Es folgen weitere Reflexionsflächenabschnitte 03b bis 03d,
die jeweils über weiter Stoßkanten 13 angeschlossen
sind und in immer kleiner werdendem Winkel (28°, 27° und 26°)
zur Rotationsachse 09 stehen. Der Winkel zwischen Reflektorfläche
und Rotationsachse 09 wird also immer kleiner, jeweils
in Schritten von etwa 1°. Die Strahlungsquellenfläche 07 hat
hier einen Radius a = 2,5 mm. Das Lot von der ersten Stoßkante 13 bis zur
Strahlungsquellenfläche hat eine Länge von b =
6 mm. Die einzelnen Abschnitte der zweiten Reflexionsfläche
haben jeweils eine Länge von c = 2 mm.
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In 6 ist
ein vereinfachtes Schaltbild eines sogenannten Buck-Converters (Abwärtsregler, Tiefsetzsteller)
dargestellt, welches aus der Praxis bekannt ist. Dieser Buck-Converter
dient zur Gleichspannungswandlung von einer hohen Versorgungsspannung
Vo zu einer niedrigeren Betriebsspannung für
einen elektrischen Verbraucher, in diesem Fall einer Reihenschaltung
von LED's. Dabei kann die Höhe der Betriebsspannung (Ausgangsspannung des
Konverters) durch ein definiertes Ein- und Ausschalten eines Schalters,
beispielsweise realisiert durch eine integrierte Schaltung 27 (z.
B. HV9921), eingestellt werden. Für geregelte Systeme wird
das Tastverhältnis, welches aus dem Verhältnis
Einschaltdauer zur Periodendauer berechnet wird, in Abhängigkeit
von der Last nachgeführt.
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Die
in 6 gezeigte Schaltung dient der Versorgung von
beispielsweise sechs bis neun LED's. Die Flussspannung der LED-Kette
sollte im Bereich von 20 bis 30 V liegen. Für die Schaltung wird
ein typischer LED-Betriebsstrom von 20 mA bevorzugt. Dabei ist die
Stromeinstellung durch eine interne Dimensionierung der Steuereinheit 27 festgelegt.
Da die Schaltungsanordnung keine galvanische Netztrennung aufweist,
müssen alle Bauteile ausreichend berührungssicher
in einer Leuchte montiert sein, beispielsweise durch Einsatz von
gekapselten Kunststoffgehäusen oder Leuchtmittelabdeckungen, die
nicht ohne Hilfsmitteln zu öffnen sind. Der Vorteil solcher
Schaltungen liegt darin, dass sie deutlich kostengünstiger
sind als Schaltungen mit galvanischer Netztrennung.
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- 01
- Reflektor
- 02
- erste
Reflexionsfläche
- 03
- zweite
Reflexionsfläche
- 07
- Strahlungsquellenfläche
- 09
- Rotationsachse
des Reflektors
- 11
- Lichtaustrittsfläche
- 13
- Stoßkante
- 15
- Basisreflexionsfläche
- 16
- Schutzscheibe
- 17
- Mittelreflektor
- 18
- erster
außen stehender Reflektor
- 19
- zweiter
außen stehender Reflektor
- 21
- Mittelachse
einer Reflektoranordnung
- 22
- Eckreflektoren
- 23
- Randreflektoren
- 27
- Integrierte
Schaltung
-
Größen:
-
-
- α1–α5
- erster – fünfter
Winkel
- αK
- Kippwinkel
- d1
- erste Höhe
- d2
- zweite Höhe
- Vo
- Versorgungsspannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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