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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung, die mehrere Leuchtdioden (LEDs) mit unterschiedlichen spektralen Charakteristiken als Leuchtmittel verwendet.
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Leuchtdioden zeichnen sich gegenüber herkömmlichen, auf Glühfadenemission basierenden Leuchtmitteln durch eine lange Lebensdauer und einen erheblich besseren Wirkungsgrad aus. In den letzten Jahren sind LEDs auf den Markt gekommen, die eine für Beleuchtungszwecke ausreichende Lichtstärke aufweisen.
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Bedingt durch das Prinzip der Lichterzeugung, die auf der Rekombination von Ladungsträgern an einem Halbleiterübergang der LEDs basiert, emittiert eine einzelne LED nur in einem durch die Bandlücke des Halbleitermaterials vorgegebenen, eng begrenzten Spektralbereich. Um Licht zu erzeugen, das einem Betrachter weiß erscheint, müssen die Lichtstrahlen von mehreren verschiedenfarbigen LEDs überlagert werden. Dabei ergibt sich jedoch das Problem, dass die Effizienz und, in geringerem Maße, auch die spektrale Charakteristik einer LED von der Temperatur abhängt, bei der sie betrieben wird. Im Allgemeinen nimmt mit steigender Temperatur die Effizienz ab, und das Maximum der spektralen Verteilung erfährt eine Rotverschiebung. Die Folge daraus ist, dass die Farbe eines aus den Strahlen mehrerer LEDs überlagerten Lichtbündels temperaturabhängig variiert. Die Farbveränderung ist dabei nicht nur auf die Rotverschiebung jeder einzelnen LED bei steigender Temperatur zurück zu führen, sondern auch auf eine je nach Typ der Diode unterschiedliche Veränderung der Effizienz mit der Temperatur. Eine Gruppe von Dioden, deren Intensitäten bei einer gegebenen ersten Temperatur aufeinander abgestimmt worden sind, um zusammen weißes Licht zu liefern, liefert daher bei einer von der ersten Temperatur abweichenden zweiten Temperatur farbstichiges Licht.
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Dieser Effekt kann insbesondere dann störend sein, wenn eine LED-Beleuchtungsvorrichtung zum Beleuchten eines Anzeigeinstruments eingesetzt werden soll, dessen Leuchtfarbe selbst einen Informationsgehalt hat. Bei einer Warnanzeige, bei der zum Beispiel orange und rot unterschiedliche Warnstufen repräsentieren, muss eine eindeutige Unterscheidung zwischen diesen Farben möglich sein, um Fehlinterpretationen zu vermeiden.
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Aber auch wenn die Lichtfarbe keinen Informationsgehalt aufweist, ist es für einen Benutzer störend, wenn mehrere Anzeigeinstrumente in seinem Blickfeld aufgrund unterschiedlicher Temperaturen der zu ihrer Beleuchtung verwendeten LED-Beleuchtungsvorrichtungen in verschiedenen Tönen leuchten. Eine solche Situation kann sich insbesondere bei Anzeigeinstrumenten in einem Kraftfahrzeug ergeben, in dem Leuchtdioden je nach Einbauort aufgrund eines starken Temperaturgefälles zwischen Fahrgastzelle und Umgebung unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sein können.
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Aus
JP 2007 09 5391 A ist eine LED-Beleuchtungsvorrichtung bekannt geworden, bei der mit Hilfe eines eingebauten Temperatursensors die Temperatur der LEDs überwacht wird und Versorgungsströme der einzelnen LEDs temperaturabhängig angepasst werden, um einheitlich weißes Licht bei unterschiedlichen Temperaturen zu liefern.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine LED-Beleuchtungsvorrichtung zu schaffen, die in der Lage ist, ohne den Einsatz eines dedizierten Sensors Licht mit temperaturunabhängiger Intensität und Tönung zu liefern.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einer Beleuchtungsvorrichtung mit wenigstens einer ersten und einer zweiten LED, die Licht mit unterschiedlichen spektralen Charakteristiken emittieren, und einer Steuerschaltung zum Beaufschlagen wenigstens der ersten LED mit einem ersten Versorgungsstrom, dessen Stromstärke temperaturabhängig veränderbar ist, wenigstens eine der LEDs angeordnet ist, um von der jeweils anderen LED emittiertes Licht zu empfangen, und die Steuerschaltung eingerichtet ist, eine an der einen LED durch das von der anderen LED empfangene Licht hervorgerufene Fotospannung zu erfassen und die Stromstärke des ersten Versorgungsstroms in Abhängigkeit von dieser Fotospannung zu steuern.
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Dieser Vorschlag basiert auf der Tatsache, dass LEDs grundsätzlich auch geeignet sind, um als Fotodioden betrieben zu werden, und auf Licht ansprechen, dessen Quanten energiereicher sind, als der Bandlücke des Halbleiterübergangs der LED entspricht. D. h. von zwei LEDs mit unterschiedlichen spektralen Charakteristika ist zumindest die längerwellig emittierende geeignet, um das von der kürzerwellig emittierenden LED erzeugte Licht nachzuweisen. Da die Nachweiseffizienz der einen LED genauso wie die Erzeugungseffizienz der anderen mit steigender Temperatur nachlässt, steht die Fotospannung in einem eindeutigen Zusammenhang mit der Temperatur der LEDs.
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Um die Temperaturen der lichterzeugenden und der nachweisenden LED möglichst einheitlich zu halten, sind vorzugsweise beide über ein gemeinsames Substrat thermisch verbunden.
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Um die Fotospannung messen zu können, darf die eine LED nicht ihrerseits gleichzeitig mit einem Versorgungsstrom beaufschlagt sein. Der besagte erste Versorgungsstrom kann daher ohne weiteres benutzt werden, um damit die andere LED zu beaufschlagen. Falls hingegen die besagte eine LED die erste und besagte andere LED die zweite LED ist, sollte die Steuerschaltung zwischen einem Normalbetriebsmodus, in dem sie die erste LED mit dem in Abhängigkeit von der Fotospannung gesteuerten ersten Versorgungsstrom beaufschlagt, und einem Messbetriebsmodus umschaltbar sein, in dem sie die erste LED mit keinem Versorgungsstrom beaufschlagt, um in diesem Messbetriebsmodus die Fotospannung erfassen zu können.
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Die Dauer des Messbetriebsmodus sollte kürzer als 50 ms sein, um sicherzustellen, dass ein zeitweiliges Verlöschen der ersten LED im Messbetriebsmodus vom Auge eines Betrachters nicht wahrgenommen wird.
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Einer besonders bevorzugten Ausgestaltung zufolge ist die Steuerschaltung eingerichtet, einen gepulsten ersten Versorgungsstrom zu erzeugen und die Fotospannung in einer Impulslücke des ersten Versorgungsstroms zu messen. Mit anderen Worten entspricht bei dieser Ausgestaltung der oben erwähnte Normalbetriebsmodus jeweils den Impulsen des ersten Versorgungsstroms, während der Messbetriebsmodus in den Impulslücken stattfinden kann.
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Eine Steuerung der Stromstärke des ersten Versorgungsstroms findet zweckmäßigerweise über eine Pulsbreitenmodulation statt.
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Zweckmäßigerweise ist dieselbe Steuerschaltung eingerichtet, auch den zum Betrieb der zweiten LED benötigten zweiten Versorgungsstrom zu liefern. Eine Steuerung der Stromstärke dieses zweiten Versorgungsstroms kann auf der an der ersten LED gemessenen Fotospannung oder auch auf einer an der zweiten LED selbst gemessenen Fotospannung basieren, wobei in letzterem Falle zweckmäßigerweise wenigstens eine dritte LED vorhanden sein sollte, die ihrerseits kurzwelliger emittiert als die zweite, um in letzterer eine gut nachweisbare Fotospannung zu erzeugen.
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Das Ziel der Steuerung der Versorgungsströme ist, den Farbton eines Lichtstrahls, der aus Licht wenigstens der ersten und der zweiten LED zusammengesetzt ist, unabhängig von der Temperatur der LEDs konstant zu halten. Darüber hinaus ist es durch die erfindungsgemäße Steuerung auch möglich, die Gesamtintensität des zusammengesetzten Lichtstrahls temperaturunabhängig zu machen.
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Zu diesem Zweck ist in der Steuerschaltung wenigstens eine Kennkurve gespeichert, die den Zusammenhang zwischen Luminosität und Temperatur wenigstens für die erste LED spezifiziert. Zweckmäßigerweise kann auch eine weitere Kennkurve gespeichert sein, die den Zusammenhang zwischen Spektralverteilung und Temperatur wenigstens für die erste LED spezifiziert. Vorzugsweise sind derartige Kennkurven für sämtliche LEDs der Beleuchtungsvorrichtung gespeichert.
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Die spektralen Charakteristiken der LEDs sind zweckmäßigerweise so gewählt, dass ihre Strahlen zu weißem Licht zusammensetzbar sind. In den meisten Fällen werden drei LEDs, insbesondere in den Grundfarben der additiven Farbmischung Rot, Grün und Blau, vorgesehen sein. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, drei LEDs in anderen Farben oder sogar nur zwei LEDs in sich auf der CIE-Normfarbtafel beiderseits des Weißpunktes diametral gegenüber liegenden Farben zu verwenden, um einen einem Betrachter weiß erscheinenden Lichtstrahl zu erzeugen. Im Falle einer zur Raumbeleuchtung verwendeten LED-Beleuchtungsvorrichtung, bei der es auf eine realistische Farbwiedergabe ankommt, kann es auch zweckmäßig sein, mehr als drei LEDs in unterschiedlichen Farben zu kombinieren, um weißes Licht mit einem kontinuierlichen, dem Sonnenlicht oder Glühlampenlicht ähnlichem Spektrum zu erzeugen.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Betreiben einer Beleuchtungsvorrichtung, die wenigstens eine erste und eine zweite LED mit unterschiedlichen spektralen Charakteristika umfasst, mit den Schritten:
- a) Beaufschlagen einer der beiden LEDs mit einem Versorgungsstrom,
- b) Erfassen einer durch von der einen LED emittiertes Licht an der anderen LED hervorgerufenen Fotospannung, und
- c) Festlegen der Stromstärke des Versorgungsstroms der ersten LED und/oder eines Versorgungsstroms der zweiten LED anhand der gemessenen Fotospannung.
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Die Stromstärkenfestlegung kann als Zwischenschritt zweckmäßigerweise eine Abschätzung der Temperatur anhand der Fotospannung umfassen. Dann kann anhand von Kennkurven, die den Zusammenhang zwischen Luminosität und Temperatur für die LEDs spezifizieren, eine Stromstärke wenigstens eines der Versorgungsströme so festgelegt werden, dass aus den Strahlen der LEDs ein zusammengesetzter Lichtstrahl mit einem vorgegebenen Farbton erhalten wird. Wenn die Stromstärke der Versorgungsströme für die erste und die zweite LED anhand der Temperatur festgelegt wird, kann neben dem Farbton auch die Intensität des zusammengesetzten Lichtstrahls temperaturunabhängig gemacht werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
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1 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung;
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2 Beispiele für die Temperaturabhängigkeit der Emissionscharakteristika verschiedener LEDs; und
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3 ein Flussdiagramm eines Arbeitsverfahrens der Steuerschaltung aus 1.
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Die in 1 gezeigte Beleuchtungsvorrichtung umfasst drei verschiedenfarbige LEDs, die in der folgenden Beschreibung entweder gemeinsam mit dem Bezugszeichen 1 oder einzeln, entsprechend ihren Farben mit R für rot, G für grün und B für blau bezeichnet werden. Die LEDs 1 sind örtlich eng benachbart auf einem gemeinsamen Substrat 2 angebracht, um eventuelle Temperaturunterschiede zwischen ihnen zu minimieren. Das Substrat 2 kann eine gemeinsame Leiterplatte oder auch ein gemeinsamer Reflektor sein, in dem die – vorzugsweise kantenemittierenden – LEDs 1 so angeordnet sind, dass jeweils ein Teil des von einer der LEDs emittierten Lichtes auf die emittierenden Kanten der anderen LEDs trifft, der bei weitem überwiegende Teil jedoch räumlich mit den Strahlen der anderen LEDs überlappend in eine vorgegebene Richtung, hier in Richtung eines nur teilweise dargestellten Leuchtschirms 3 eines Anzeigeinstruments, ausgestrahlt wird. Das Anzeigeinstrument kann z. B. eine Vielfachanzeige auf dem Armaturenbrett eines Kraftfahrzeugs, ein Anzeigeschirm eines Autoradios, eines Navigationsgerätes oder dergleichen sein.
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Jeder LED 1 ist eine PWM-Schaltung 4 zugeordnet, die einen gepulsten Versorgungsstrom IR, IG bzw. IB für die betreffende LED 1 liefert. In an sich üblicher Weise sind die Impulsstromstärken der PWM-Schaltungen 4 identisch und fest vorgegeben, und ihre Tastverhältnisse sind variabel. Dadurch ist die Luminosität jeder LED 1 linear proportional zur mittleren Stromstärke ihres Versorgungsstroms IR, IG bzw. IB.
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Zwischen den Leuchtdioden G und R und ihren PWM-Schaltungen 4 ist jeweils ein Halbleiter-Schalter 5 vorgesehen, um die LED G oder R wahlweise mit ihrer PWM-Schaltung 4 oder mit einem hochohmigen Spannungssensor 6 zu verbinden. Die Schalter 5 sind wie die PWM-Schaltungen 4 durch einen Mikrocontroller 7 gesteuert, der auch die Messwerte der Spannungssensoren 6 empfängt. Der Mikrokontroller 7 hat Zugriff auf einen Festwertspeicher 8, in dem diverse Kennkurven der LEDs 1 abgelegt sind.
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2 zeigt die spektrale Verteilung des von den drei Leuchtdioden 1 bei einem gegebenen Satz von mittleren Versorgungsstromstärken IR, IG bzw. IB erzeugten Lichtes bei drei verschiedenen Temperaturen. Jede Kurve weist drei Maxima auf, von denen jedes auf eine der drei LEDs, R, G oder B, zurückgeht. Wenn man annimmt, dass die einer Diodentemperatur von 25°C entsprechende gestrichelte Kurve einem gewünschten Weißton entspricht, dann ist unmittelbar augenfällig, dass bei niedrigerer Temperatur das emittierte Licht nicht nur intensiver, sondern auch blaustichig, bei höherer Temperatur hingegen schwächer und rotstichig ist. Um den Farbton des Lichts unabhängig von der Temperatur konstant zu halten, ist es folglich notwendig, bei niedrigeren Temperaturen die mittleren Versorgungsströme aller drei LEDs zu reduzieren, den Versorgungsstrom der – relativ stark temperaturabhängigen – blauen LED B jedoch noch stärker als den der roten R, wohingegen im Falle einer Temperatursteigerung sämtliche Versorgungsströme heraufgesetzt werden müssen, und zwar am meisten derjenige der blauen LED.
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Jedes der drei Spektren UT(λ), T = –30°C, 25°C, 88°C der 2 kann aufgefasst werden als Summe von – temperaturabhängigen – Normalspektren UF,T(λ), F = R, G, B der drei LEDs 1, gewichtet mit den Tastverhältnissen θF ihrer jeweiligen Versorgungsströme: UT(λ) = Σ F=R,G,BθFUF,T(λ) (1)
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Jedem dieser Normalspektren einer einzelnen LED 1 können Tristimuluswerte zugeordnet werden, indem die spektrale Intensität UF,T(λ), bei einer gegebenen Wellenlänge λ mit den bekannten, z. B. in Tabellenform von der CIE veröffentlichten Werten der Tristimuluskurven X(λ), Y(λ), Z(λ) bei der Wellenlänge λ multipliziert wird und die Produkte über das sichtbare Spektrum aufaddiert werden: xF = Σ λUF,T(λ)X(λ)
yF = Σ λUF,T(λ)Y(λ)
zF = Σ λUF,T(λ)Z(λ) (2)
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Der Mikrocontroller 7 muss daher die Tastverhältnisse θF, F = R, G, B der LEDs 1 so festlegen, dass der gemeinsame Tristimuluswert aller drei LEDs (x, y, z) = (Σ F=R,G,BθFxF, Σ F=R,G,BθFyF, Σ F=R,G,BθFzF) (3) temperaturunabhängig konstant bleibt. Hierzu setzt der Mikrocontroller das in 3 dargestellte Verfahren ein.
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In Schritt S1 wird zunächst ein Zeitpunkt abgewartet, in dem die LED B allein eingeschaltet ist. Das Auftreffen ihres Lichts auf die Fotodioden G, R erzeugt an diesen eine Fotospannung UG bzw. UR, die in Schritt S2 gemessen wird. Da die Stromstärke des Versorgungsstroms der LED B während eines Strompulses fest ist, hängen die Fotospannungen – von Alterungseffekten der LEDs abgesehen – im Wesentlichen nur von der Temperatur der LEDs 1 ab. Eine Kennkurve, die den Zusammenhang zwischen Temperatur und Fotospannung beschreibt, ist in dem Festwertspeicher 8 für beide Diodenpaare, zum einen für B als Lichtquelle und G als Empfänger, zum anderen für B als Lichtquelle und R als Empfänger, abgelegt. Anhand dieser beiden Kennkurven erhält der Mikrocontroller 7 in Schritt S3 zwei Schätzwerte TBG, TBR für die Temperatur.
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Anschließend wird ein Zeitpunkt abgewartet, in dem allein die LED G eingeschaltet ist. Ihr Licht trifft auf die LEDs B, R, liefert aber nur bei R eine substantielle Fotospannung UR, die in Schritt S5 gemessen wird.
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Anhand einer dritten Kennkurve, die den Zusammenhang zwischen Temperatur T und Fotospannung UR für die LED G als Lichtquelle und R als Empfänger angibt, ermittelt der Mikrocontroller 7 in Schritt S6 einen dritten Temperaturschätzwert TGR.
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Aufgrund der engen Nachbarschaft und thermischen Verbindung zwischen den LEDs R, G, B können sich die tatsächlichen Temperaturen der LEDs nicht wesentlich unterscheiden, so dass im Prinzip alle drei Schätzwerte TBG, TBR, TGR übereinstimmen sollten. Charakteristische Unterschiede, die dennoch zwischen den Temperaturschätzwerten auftreten, können auf eine altersbedingt nachlassende Effizienz der LEDs, sowohl in ihrer Rolle als Lichtquelle als auch als Empfänger, hinweisen und durch eine Aktualisierung der verwendeten Kennkurven oder Korrekturfaktoren berücksichtigt werden. Im einfachsten Fall wird als gemeinsame Temperatur T aller drei LEDs in Schritt S7 ein Mittelwert der drei Schätzwerte TBG, TBR, TGR berechnet.
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In Schritt S8 werden die Tastverhältnisse θF, F = R, G, B für die drei LEDs R, G, B festgelegt. Dies kann geschehen, indem der temperaturabhängige Tristimuluswert (xF, yF, zF), F = R, G, B für jede einzelne LED 1 aus entsprechenden Kennkurven des Festwertspeichers 8 gelesen wird und diejenigen Werte des Tastverhältnisses θR, θG, θB, gesucht werden, für die die Gleichung (3) erfüllt ist.
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Indem der Zielwert (x, y, z) zeitweilig verändert wird, ist es möglich, die Farbe des von den drei LEDs gemeinsam emittierten Lichts zwar temperaturunabhängig zu machen, aber dennoch willkürlich zu verändern. So kann zum Beispiel der normalerweise neutral weiß beleuchtete Leuchtschirm willkürlich in gelbes, oranges oder rotes Licht getaucht werden, um einem Benutzer Warnhinweise von unterschiedlicher Dringlichkeit zu vermitteln.
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Wenn die gemeinsame Lichtfarbe der drei LEDs nicht verändert werden soll, können anstelle der temperaturabhängigen Tristimuluswerte (xF, yF, zF), F = R, G, B auch von vornherein die Tastverhältnisse 8F, die die Gleichung (3) erfüllen, im Festwertspeicher 8 abgelegt sein.
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Die Impulsfrequenz der von den PWM-Schaltungen 4 gelieferten Ströme beträgt mindestens 20, vorzugsweise mindestens 25 Hz, damit. das Licht jeder einzelnen LED vom Benutzer als kontinuierlich wahrgenommen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- LED
- 2
- Substrat
- 3
- Leuchtdioden
- 4
- PWM-Schaltung
- 5
- Schalter
- 6
- Spannungsmesser
- 7
- Mikrocontroller
- 8
- Festwertspeicher
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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