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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Last. Bei der anzusteuernden elektrischen Last handelt es sich insbesondere um eine Anordnung von Leuchtdioden, im Weiteren mit LEDs bezeichnet, wobei die elektrische Last mit einem nahezu konstanten Betriebsstrom zu versorgen ist.
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Zur Ansteuerung einer elektrischen Last, insbesondere von LEDs, LED-Ketten und/oder LED-Arrays, werden vorrangig Konstantstromquellen verwendet. Es sind diverse Anordnungen von LEDs bekannt. Neben der parallelen Anordnung oder Matrixverschaltung von LEDs ist auch die Möglichkeit der Reihenschaltung von LEDs bekannt. Bei der Reihenschaltung von LEDs werden alle LEDs in Reihe nacheinander geschaltet; diese Verschaltung wird auch als LED-Kette bezeichnet. Um solche LED-Ketten zu betreiben, wird ein konstanter Strom erzeugt und durch die LEDs geleitet. Es stellt sich dann eine Spannung über den LEDs ein, die der Summe der Flussspannungen aller LEDs entspricht.
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Um eine konstante Lichtausbeute zu erreichen, muss der Strom, der durch die LEDs fließt, temperaturabhängig geregelt werden und nahezu konstant sein. Dies erfolgt in bekannter Weise mittels einer Pulsweitenmodulation des zugeführten Stromes. Mittels einer Pulsweitenmodulation wird dieser modulierte Strom dann zur Helligkeitssteuerung der LED-Kette eingesetzt. Die Energieversorgung der LEDs erfolgt beispielsweise mittels eines so genannten Aufwärtswandlers.
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Aus
DE 20 2007 011 973 U1 ist eine LED-Clusteranordnung bekannt, welche mit Konstantstrom versorgt wird. Die LED-Clusteranordnung wird über eine Pulsweitenmodulation angesteuert.
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Aus
DE 2006 059 355 A1 ist eine Ansteuereinrichtung in einem Verfahren zum Betrieb einer Reihenschaltung von Leuchtdioden offenbart.
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Aus
DE 10 2005 058 484 A1 sind eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Betrieb mindestens einer LED offenbart.
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Insbesondere bei Schaltvorgängen in LED-Ketten, so beim Ein- und/oder Ausschalten von einzelnen, in Reihe geschalteten LEDs, treten Spannungs- und Stromveränderungen auf, die die Energieversorgungseinheit belasten. Aufgrund der U/I-Kennlinie einer Leuchtdiode ergibt sich die Flussspannung, die an der LED bei entsprechendem Strom abfällt. Somit ist für den Betrieb zunächst eine bestimmte Mindestspannung notwendig. Bis diese erreicht wird, ist der LED-Strom nahezu vernachlässigbar, der Lichtaustritt aber gleich Null oder nahezu Null.
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Sollen bei in der Reihe geschalteter einzelner LEDs, welche gemeinsam eine oder mehrere Lichtquellen bilden, die Lichtquellen in ihrer Helligkeitsabgabe beeinflusst werden, so erfolgt dies durch eine Überbrückung einzelner der LEDs mittels eines parallel zu jeder LED oder zu einer LED-Gruppe angeordneten Schalters. Der Schalter ist dabei zweckmäßiger Weise in Form eines Halbleiterschalters ausgeführt. Der Strom fließt dann durch die LEDs, deren paralleler Schalter geöffnet ist bzw. durch die geschlossenen Schalter. Mit diesem Schaltungsprinzip lässt sich bei in Reihe geschalteten LEDs jede einzelne LED beliebig ein- und ausschalten. Solange die Anzahl der LEDs konstant bleibt, d. h. solange die Anzahl der angeschalteten LEDs sich bei einem Umschaltvorgang nicht verändert, bleibt die Ausgangsspannung, welche von der Spannungsversorgungseinheit bereitgestellt werden muss, unverändert. Hingegen stellt die Änderung der gleichzeitig angesteuerten LEDs ein Problem dar, da sich die zum Betrieb der neuen LED Anzahl notwendige Ausgangsspannung ändert und damit der LED-Strom zusammenbricht. Soll nunmehr bei betriebenen oder bereits leuchtenden LEDs eine LED zu- oder abgeschaltet werden, so tritt eine erhebliche Spannungsspitze und eine Stromänderung auf. Beim Einschalten einer LED erfolgen daher zunächst ein Stromeinbruch aufgrund der fehlenden Ausgangsspannung und danach eine Spannungsspitze aufgrund des Regelverhaltens. Dies führt dazu, dass die bereits angeschalteten und leuchtenden LEDs zunächst dunkel werden und flackern. Dies soll durch eine geeignete Ansteuerung vermieden werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, das diese Problematik umgeht, ohne den Einsatz von weiteren Bauelementen oder Vorrichtungen.
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Die vorliegende Aufgabe wird anhand der Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich anhand der abhängigen Patentansprüche, der weiteren Beschreibung sowie der Beschreibung von konkreten Ausführungsbeispielen anhand von Figuren.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Ansteuerung einer elektrischen Last. Die elektrische Last besteht aus mindestens zwei in Reihe geschalteten Einzellasten. Innerhalb zeitlich einander folgender Schaltzyklen vordefinierter Dauer werden die Einzellasten ein- und ausgeschaltet. Zu jeder Einzellast ist ein steuerbarer Schalter parallel geschaltet, so dass jede Einzellast unabhängig von der anderen Einzellast in einem Schaltzyklus schaltbar ist. Von einer Steuereinheit wird der in die elektrische Last fließende elektrische Strom, der von einer Treiberstufe bereitgestellt wird, überwacht und mittels eines Soll-/Ist-Vergleiches auf einen einstellbaren Sollwert geregelt, so dass ein möglichst konstanter Strom in die elektrische Last fließt. Jede der Einzellasten ist innerhalb des Schaltzyklus von der Steuereinheit mittels der steuerbaren Schalter zu vordefinierten Ein- und Ausschaltzeitpunkten ein- und ausschaltbar. Bei einem Schaltzyklus, bei welchem die Anzahl der einzuschaltenden Einzellasten und die Anzahl der auszuschaltenden Einzellasten gleich sind, wird stets zeitgleich die selbe Anzahl von Einzellasten eingeschaltet und die selbe Anzahl anderer Einzellasten ausgeschaltet. Bei einem Schaltzyklus, bei dem die Anzahl der einzuschaltenden Einzellasten größer ist als die Anzahl der auszuschaltenden Einzellasten, wird der Schaltzyklus um einen Korrekturzeitraum verlängert, wobei der Korrekturzeitraum nahezu der Zeitdauer entspricht, welche die Steuereinheit benötigt, um den Ausgangsstrom der Treiberstufe auf den Sollstrom bei Auftritt eines Lastsprungs zu bringen. Ein Lastsprung entsteht durch das Einschalten einer Einzellast ohne zeitgleiches Ausschalten einer anderen Einzellast. Die vordefinierten Ein- und Ausschaltzeitpunkte der Einzellasten werden dann in Abhängigkeit des Zeitpunktes des Lastsprungs im Schaltzyklus in ihrer zeitlichen Lage verändert oder sie verbleiben unverändert und/oder sie werden in ihrer Einschaltdauer verlängert oder verkürzt oder aber sie bleiben unverändert. Bei einer Verlängerung der Zykluszeit kann es auch möglich sein, dass sich Schaltzeitpunkte bereits angesteuerter Lasten aufgrund des für sie vorgegebenen Tastverhältnisses ändern.
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Vorteilhaft ist, dass ein Lastsprung bzw. Lastsprünge, welche beim Einschalten einer oder mehrerer Einzellasten entstehen, kompensiert werden. Die Kompensierung erfolgt in der Weise, dass alternativ stets die gleiche Anzahl an Einzellasten eingeschaltet und die gleiche Anzahl anderer Einzellasten ausgeschaltet wird. Hierdurch wird ein Lastsprung nahezu vermieden, da die an der elektrischen Last abfallende Spannung nahezu konstant bleibt. Voraussetzung ist aber, dass die beiden Lasten nahezu identische elektrische Parameter aufweisen. In einer alternativen Ausführung, wenn die Einzellasten in Form von Leuchtdioden ausgeführt sind, wird die Lichtabgabe der in Reihe geschalteten Leuchtdioden ermittelt. Anschließend wird die Verminderung der Lichtabgabe bedingt durch einen Lastsprung ermittelt und anschließend wird die ermittelte bzw. prognostizierte Verminderung der Lichtabgabe während eines Schaltzyklus ausgeglichen, indem der Schaltzyklus verlängert wird und die einzelnen Leuchtdioden verlängert oder ggf. verkürzt eingeschaltet werden, damit dann die Helligkeitsabgabe in etwa derjenigen entspricht, welche die Leuchtdioden ohne Lastsprung abgegeben hätten.
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Gemäß der Ausführung nach Patentanspruch 2 ist bevorzugt, dass die Korrekturzeit, die sich in einem Schaltzyklus mit Lastsprung ergibt, auch bei einem Schaltzyklus ohne Lastsprung ergänzt wird. Damit werden alle unkorrigierten Einschaltdauern der Lasten auf dieselbe Periodendauer bezogen. Bei Schaltzyklen ohne Lastsprung bedeutet dies, dass die Last um die Korrekturzeit verkürzt angesteuert wird. Damit ergeben sich keine Helligkeitsunterschiede zwischen Schaltzyklen mit und ohne Lastsprung, da das Ansteuerverhältnis gleich ist.
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Gemäß der Ausführung nach Patentanspruch 3 ist bevorzugt, dass der Schaltzyklus vom Beginn eines Lastsprungs bis zum Ende des Schaltzyklus in Zeiteinheiten aufgeteilt wird und die Anpassung der Ein- und Ausschaltzeitpunkte anhand der Zeiteinheiten erfolgt.
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Gemäß der Ausführung nach Patentanspruch 4 ist bevorzugt, dass die Zeiteinheiten gleiche Dauer aufweisen.
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Gemäß der Ausführung nach Patentanspruch 5 ist bevorzugt, dass die Zeiteinheiten einer äquivalenten Energie entsprechen.
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Gemäß der Ausführung nach Patentanspruch 6 ist bevorzugt, dass die Dauer der Aktivierung einer Einzellast, in Abhängigkeit der zeitlichen Lage des Lastsprungs während des eingeschalteten Zustands der Einzellast, verlängert oder verkürzt wird. Es ist somit möglich anhand einer gezielten Verlängerung oder Verkürzung der Dauer der Aktivierung einer Einzellast, welche als Leuchtdioden ausgeführt sind, deren Lichtmengenabgabe in einem Schaltzyklus anzupassen, anhand der Zeiteinheiten. Durch die Einteilung in Zeiteinheiten kann in Relation zum Lastsprung steuernd eingegriffen werden und somit die Lichtabgabe einer Einzellast über den Schaltzyklus korrigiert werden.
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Gemäß der Ausführung nach Patentanspruch 7 ist bevorzugt, dass die Steuereinheit das erstmalige Einschalten und/oder das Ausschalten der mindestens zwei Einzellasten der elektrischen Last einzeln, zeitlich nacheinander oder gemeinsam oder in Gruppen vornimmt.
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Gemäß der Ausführung nach Patentanspruch 8 ist bevorzugt, dass die Steuereinheit an einem Strommesspunkt mittels einer Strommesseinheit den in die elektrische Last fließenden elektrischen Strom überwacht und mittels eines Soll-/Ist-Vergleiches auf einen einstellbaren Sollwert mittels der Treiberstufe regelt, so dass ein möglichst konstanter Strom in die elektrische Last fließt.
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Gemäß der Ausführung nach Patentanspruch 9 ist bevorzugt, dass eine Einzellast ein Dioden-Array, bestehend aus einer Leuchtdiode oder mindestens zwei parallel geschalteten und/oder in Reihe geschalteten und/oder matrixverschalteten Leuchtdioden, ist.
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Vorteilhaft ist außerdem, wenn die Steuereinheit von einer Mikroprozessoreinheit oder Mikrocomputereinheit oder Mikrocontrollereinheit oder einer mikroelektronische Einheit mit einer konstanten Betriebsspannung gebildet wird.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels anhand der 1–8 näher erläutert. Diese Beschreibung der Erfindung anhand konkreter Ausführungsbeispiele stellt keine Limitierung der Erfindung auf eines der Ausführungsbeispiele dar. Im Ausführungsbeispiel sind die Einzellasten als Leuchtdioden, im Weiteren mit LED bzw. LEDs bezeichnet ausgeführt.
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Es zeigen:
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1 ein bekanntes Schaltungsprinzip für LEDs;
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2 ein Ansteuerprinzip ohne Lastsprung;
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3 den Strom- und Spannungsverlauf ohne Lastsprung;
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4 ein Ansteuerprinzip mit Lastsprung;
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5 ein Einschwingverhalten beim Zuschalten einer LED;
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6 eine schematische Darstellung der Zustände von LEDs und des Stromverlaufs über die Zeit;
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7 eine weitere schematische Darstellung der Zustände von LEDs und des Stromverlaufs über die Zeit;
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8 eine weitere schematische Darstellung der Zustände von LEDs und des Stromverlaufs über die Zeit.
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Bei der nachfolgenden Figurenbeschreibung wird figurenübergreifend für identische Elemente in den Figuren jeweils bei allen Figuren dasselbe Bezugszeichen verwendet. Dies dient der Übersichtlichkeit und besseren Verständlichkeit der weiteren konkreten Beschreibung der Erfindung anhand der Figuren 1 bis 8.
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In 1 ist eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von Leuchtdioden aufgezeigt. Es ist eine elektrische Last 1 dargestellt. Die elektrische Last 1 besteht aus den Einzellasten LED1, LED2, LED3, LED4 bis LEDn, welche als Leuchtdioden ausgeführt sind. Diese Leuchtdioden LED1, LED2, LED3, LED4 bis LEDn sind in Reihe geschaltet. Jede der Einzellasten LED1, LED2, LED3, LED4 bis LEDn stellt mindestens eine Leuchtdiode dar.
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Leuchtdioden LED1 bis LEDn, insbesondere solche mit hoher Leistung, werden zumeist in Reihe geschaltet, in Reihe geschaltet betrieben und mit einem konstanten Strom versorgt. Die Stromversorgung erfolgt über eine Treiberstufe 3. Diese Treiberstufe 3 ist zumeist als Konstantstromquelle, vorzugsweise in Form eines Schaltreglers oder eines DC/DC-Wandlers mit einem Konstantstromausgang ausgeführt.
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Unter Berücksichtigung der U/I-Kennlinie einer Leuchtdiode ergibt sich die Flussspannung, die an der Leuchtdiode bei entsprechendem Strom abfällt. Somit ist für den Betrieb einer Leuchtdiode zunächst eine bestimmte Mindestspannung notwendig. Diese Mindestspannung ist bei in Reihe geschalteten Leuchtdioden abhängig von der Anzahl der in Reihe geschalteten Leuchtdioden LED1 bis LEDn. Bis diese Mindestspannung erreicht wird, ist der Strom I_out, der durch die Leuchtdioden LED1 bis LEDn fließt, nahezu vernachlässigbar, der Lichtaustritt aus den Leuchtdioden LED1 bis LEDn ist aber nahezu Null. Sollen die in Reihenschaltung angeordneten einzelnen Leuchtdioden LED1 bis LEDn in ihrer Helligkeit d. h. in ihrer Helligkeitsabgabe beeinflusst werden, so ist eine der Leuchtdioden LED1 bis LEDn der elektrischen Last 1 zu überbrücken. Die Überbrückung erfolgt in der Weise, dass jeder der Leuchtdioden LED1 bis LEDn jeweils ein Schalter S1 bis Sn parallel geschaltet ist. Beim Schließen des jeweils der Leuchtdiode LED1 bis LEDn zugeordneten Schalters S1 bis Sn wird die entsprechende Leuchtdiode LED1 bis LEDn überbrückt. Mittels dieser Schalter S1 bis Sn, es handelt sich vorzugsweise um steuerbare und/oder elektronische Schalter, ist jede der Leuchtdioden LED1 bis LEDn singulär überbrückbar, d. h. jede Leuchtdiode LED1 bis LEDn kann individuell an- und abgeschaltet werden. Hierzu sind die Schalter S1 bis Sn als elektronische Schalter ausgestaltet, welche von der Steuereinheit 2 schaltbar sind. Bei den elektronischen Schaltern S1 bis Sn handelt es sich in vorzugsweiser Ausgestaltung um Feldeffekttransistoren bzw. Treiberstufen, welche über die Steuereinheit 2 steuerbar und schaltbar sind.
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Die Steuereinheit 2 wird mit einer Versorgungsspannung Uv versorgt. Im Weiteren steuert die Steuereinheit 2 eine Treiberstufe 3 an. Der Ausgangsstrom I_out der Treiberstufe 3 ist von der Steuereinheit 2 regelbar. Die Steuereinheit 2 überwacht hierzu über einen Strommesspunkt 4, an dem eine Strommesseinheit angeschlossen ist, den durch die elektrische Last 1 fließenden Strom I_out. Diesen versucht die Steuereinheit 2 durch Regelung über die Treiberstufe 3 nahezu konstant zu halten. Die Treiberstufe 3 wird über eine Versorgungsspannung U_in versorgt.
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Mit dem in 1 dargestellten Schaltungsprinzip lassen sich beliebig viele in Reihe geschaltete Leuchtdioden LED1 bis LEDn unabhängig voneinander ein- und ausschalten. Solange die Anzahl der in Betrieb befindlichen Leuchtdioden LED1 bis LEDn konstant bleibt, d. h. solange die Anzahl der eingeschalteten Leuchtdioden LED1 bis LEDn konstant ist, bleibt die Ausgangsspannung U_out und der Ausgangsstrom I_out der Treiberstufe 3 konstant. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung steuert die Steuereinheit 2 die Treiberstufe 3 mittels eines pulsweitenmodulierten Signals Ua an.
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Probleme beim Betrieb treten allerdings auf, wenn eine Änderung der angeschalteten Leuchtdioden LED1 bis LEDn vorgenommen wird, da sich dann die Ausgangsspannung U_out der Treiberstufe 3 ändert und damit der Ausgangsstrom I_out, der durch die dann noch angeschalteten Leuchtdioden LED1 bis LEDn zu treiben ist, nahezu zusammenbricht. Diese Problematik tritt vor allem dann auf, wenn eine weitere der in Reihe geschalteten Leuchtdioden LED1 bis LEDn zusätzlich angeschaltet wird. Es kommt dann beim Einschalten dieser weiteren Leuchtdioden LED1 bis LEDn zu einem Lastsprung. Speziell die Forderung nach einer hohen Konstanz des Lichtstromes, der direkt proportional zum LED-Strom, d. h. demjenigen Strom bzw. dessen Stromstärke, der durch eine Leuchtdiode fließt, ist, wirft Probleme auf, da insbesondere bei kleiner Einschaltdauer, d. h. kleinen Lichtströmen, sich diese Einbrüche deutlich bemerkbar machen.
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Um nunmehr diese Einbrüche zu vermeiden und/oder deren Auswirkungen zu minimieren, ist vorgesehen, zeitgleich mit dem Abschalten einer der Leuchtdioden LED1 bis LEDn eine andere Leuchtdiode LED1 bis LEDn zuzuschalten und umgekehrt.
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Beim erstmaligen Inbetriebnehmen der Anordnung bzw. beim erstmaligen Einschalten oder Ausschalten der gesamten elektrischen Last 1 schaltet die Steuereinheit 2 die Leuchtdioden LED1 bis LEDn der elektrischen Last 1 einzeln nacheinander oder in Gruppen oder alle gemeinsam ein.
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Ein Ansteuerprinzip mit Vermeidung eines Lastsprungs ist in 2 dargestellt.
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In 2 sind über ein Zeitintervall 0 bis T, das einen Schaltzyklus darstellt, übereinander vier Leuchtdioden LED1, LED2, LED3, LED4, welche die elektrische Last 1 der 1 repräsentieren, und der jeweilige Schaltzustand der Leuchtdioden LED1, LED2, LED3, LED4 eingeschaltet „ein” und ausgeschaltet „aus” schematisch dargestellt. Zum Betrieb werden mehrere Schaltzyklen T einander nachfolgend angeordnet.
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Dieses im nachfolgenden beschriebene Prinzip der Vermeidung eines Lastsprungs kann aber nur mit einer Anzahl von Leuchtdioden LED1 bis LEDn aus 1 erfolgen, deren prozentuale Einschaltdauern sich zu einem ganzzahligen Vielfachen von 100% ergänzen. In 2 sind daher vier Leuchtdioden LED1, LED2, LED3, LED4 dargestellt. Die Leuchtdioden LED1, LED2, LED3, LED4 werden zu unterschiedlichen Zeitpunkten t1, t2 ein- und ausgeschaltet. Es wird aber immer zeitgleich mit dem Einschalten einer der Leuchtdioden LED1, LED2, LED3, LED4 eine andere Leuchtdiode LED1, LED2, LED3, LED4 ausgeschaltet. Zum Zeitpunkt 0 wird die Leuchtdiode LED2 eingeschaltet, die Leuchtdiode LED1 wird ausgeschaltet. Die, Leuchtdiode LED4 wird eingeschaltet und die Leuchtdiode LED3 wird ausgeschaltet. Durch das gleichzeitige Zu- und Abschalten jeweils einer Leuchtdiode LED1, LED2, LED3, LED4 wird ein Lastsprung vermieden. Der durch das Einschalten der Leuchtdioden LED2, LED4 entstehende Lastsprung wird durch das Abschalten der Leuchtdioden LED1, LED3 kompensiert. Durch das konträre paarweise Zu- und Abschalten von Leuchtdioden werden die sonst auftretenden Lastsprünge vermieden. Zu einem späteren Zeitpunkt t1 wird die Leuchtdiode LED2 wieder abgeschaltet. Es wird aber dann zeitgleich die Leuchtdiode LED1 eingeschaltet. Es wird in diesem Fall ebenfalls ein Lastsprung vermieden. Um nunmehr ebenfalls einen Lastsprung zu vermeiden, wenn zu einem späteren Zeitpunkt t2 die Leuchtdiode LED4 ausgeschaltet werden soll, wird zeitgleich die Leuchtdiode LED3 eingeschaltet.
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In der Ausführung mit dem Ansteuerprinzip nach 2 werden die einzelnen Leuchtdioden LED1 bis LED4 mit einem pulsweitenmodulierten Signal angesteuert. Wesentlich ist aber, dass in einem Schaltzyklus T jeweils zwei Leuchtdioden LED1, LED2 und LED3, LED4 alternierend angesteuert werden, d. h. zeitgleich wechselseitig an- und ausgeschaltet werden, so dass ein Lastsprung vermieden wird. Dieses Ansteuerprinzip erlaubt den flexiblen Betrieb der Leuchtdioden LED1, LED2, LED3, LED4 mit einer nahezu konstanten elektrischen Spannung. Die Treiberstufe 3 aus 1 kann dann für eine maximale Ausgangsspannung von U_out, die kleiner ist als die Summe der Einzelspannungsabfälle über die Einzellasten LED1 bis LEDn, welche gemeinsam eingeschaltet sein dürfen, ausgelegt sein. Es muss aber vorausgesetzt werden, dass die Summe der Einschaltzeiten aller während eines Schaltzyklus T einzuschaltenden Leuchtdioden LED1 bis LED4 ein bestimmtes Maximum nicht überschreitet.
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Es ergibt sich aber eine Problematik, wenn die Summe der Einschaltzeiten aller während eines Schaltzyklus T einzuschaltenden Leuchtdioden kein ganzzahliges Vielfaches der Periodendauer des Schaltzyklus T ist. In der Ausführung gemäß 2 füllen die Einschaltzeiten der Einzellasten LED1 und LED2 bzw. LED3 und LED4 jeweils den gesamten Schaltzyklus T aus. Der Sollstrom bleibt damit konstant.
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In 3 ist die elektrische Spannung, welche über der elektrischen Last 1 und somit über den Einzellasten LED1 bis LED4 aus 2 abfällt, als Spannungswert U_out über dem Schaltzyklus T dargestellt. Die Spannung U_out in 3, die von der Treiberstufe 3 bereitgestellt wird, entspricht dem Spannungsabfall über den angeschalteten Leuchtdioden LED1 bis LED4. In. 3 ist oberhalb der Spannung U_out der Verlauf des Stromes I_out, der durch die Leuchtdioden LED1 bis LED4 während eines Schaltzyklus T fließt, dargestellt. Da in 2 über die gesamte Periodendauer des Schaltzyklus T jeweils zwei Leuchtdioden eingeschaltet sind, beträgt die Spannung U_out die Summe der zwei Teilspannungen, die jeweils über einer der Leuchtdioden LED1 bis LED4 abfallen. Der Strom I_out, der durch die Leuchtdioden fließt, ist ebenfalls konstant. Durch das zeitgleiche Zu- und Abschalten von zwei Leuchtdioden wird ein Lastsprung, verbunden mit einem Spannungsanstieg und einem Stromeinbruch, vermieden. Die Treiberstufe 3 muss kaum nachregeln. Ein Flackern wird vermieden. Es ist in 3 dargestellt, dass bei den Einschaltpunkten t1, t2 keine Veränderung des Sollstromes I_soll und der elektrischen Spannung U_out eintritt.
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In 4 sind über einen Schaltzyklus T übereinander fünf Leuchtdioden LED1, LED2, LED3, LED4, LED5, und ihr jeweiliger Schaltzustand eingeschaltet „ein” und ausgeschaltet „aus”, schematisch dargestellt. Gegenüber der Ausführung in 2 ergibt die Summe der prozentualen Einschaltdauern der Leuchtdioden LED1 bis LED5 kein ganzzahliges Vielfaches von 100%. Es tritt nunmehr das Problem eines Lastsprunges auf, wenn eine weitere Leuchtdiode, nämlich die Leuchtdiode LED5 an- oder abgeschaltet werden soll, zu welcher keine andere Leuchtdiode konträr schaltbar ist. Soll nun die Leuchtdiode LED5 zugeschaltet werden, z. B. zum Zeitpunkt t3, so tritt ein Lastsprung auf. In 4 ist dies dargestellt. Die Leuchtdioden LED1 bis LED4 werden analog zur Ausführung in 2 zu- und abgeschaltet, ohne Lastsprung. Die Auswirkung auf den Spannungs- und Stromverlauf der Zuschaltung der Leuchtdiode LED5 zum Zeitpunkt t3 ist in 5 dargestellt.
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In 5 sind die Spannung U_out sowie der Strom I_out über die Zeit innerhalb eines Schaltzyklus T dargestellt. Wie nunmehr gut ersichtlich ist, bricht der Strom I_soll zum Zeitpunkt t3, demjenigen Zeitpunkt, bei dem die Leuchtdiode LED5 eingeschaltet wird, zunächst ein. Die Spannung U_out steigt um mehr als eine LED Flussspannung an und pegelt sich dann auf den neuen Spannungswert ein. Auch der Strom I_out pegelt sich in einem gewissen Zeitraum wieder auf den Sollwert I_soll ein. Das Einschalten der Leuchtdiode LED5 erzeugt damit zum Zeitpunkt t3 einen Lastsprung. Die Ausgangsspannung U_out der Treiberstufe 3 teilt sich nun auf die aktiven Leuchtdioden LED1, LED4, LED5 auf. Da die an den einzelnen aktiven Leuchtdioden LED1, LED4, LED5 anliegende Spannung U_out gefallen ist, fließt entsprechend der U/I-Kennlinie der Leuchtdioden LED1, LED4, LED5, ein geringerer Strom I_out durch die aktiven Leuchtdioden LED1, LED4, LED5. Es wird nun durch die Steuereinheit 2 der Strom I_out wieder auf Sollniveau ausgeregelt, die Ausgangsspannung U_out steigt an, bis sich der Sollstrom wieder einstellt. Das Ausregeln auf den neuen Spannungswert erfolgt abhängig von der technischen Auslegung der Treiberstufe 3, mehr oder weniger schnell, mit entsprechendem Einschwingverhalten. Hierdurch entsteht ein Flackern an den Leuchtdioden LED1, LED4, LED5.
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Wesentlich ist aber, dass der Einbruch des Stroms I_out hierbei nicht nur eine, sondern alle zu diesem Zeitpunkt angesteuerten und aktiven Leuchtdioden LED1, LED4, LED5 betrifft. Der Effekt ist umso stärker zu beobachten, je weniger Leuchtdioden gleichzeitig angesteuert sind. Wird z. B. bei einem Betrieb von zehn Leuchtdioden, was einer Spannung von zehn mal 2,5 V und damit einer Gesamtspannung von 25 V entspricht, eine weitere Leuchtdiode zugeschaltet, so dass anschließend elf Leuchtdioden eingeschaltet sind, verteilt sich beim Einschalten der elften Leuchtdiode die anstehende Spannung von 25 V zunächst in gleichen Teilen auf alle elf Leuchtdioden, so dass an jeder Leuchtdiode dann die Spannung auf 2,27 V abfällt. Entsprechend der U/I-Kennlinie reduziert sich der dann durch jede der Leuchtdioden fließende Strom. Betrachtet man dieses Szenario mit einer Änderung von einer auf zwei Leuchtdioden, so liegen dann lediglich 1,25 V an jeder der zwei Leuchtdioden an, was faktisch einer Unterbrechung des Stromes gleichkommt. Die Leuchtdioden sind dann zunächst dunkel, für einen Nutzer quasi ausgeschaltet.
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Da jede Änderung des Stromes mit einer entsprechenden Helligkeitsänderung der Leuchtdioden einhergeht, bedeutet der Einschwingvorgang beim Nachgeben der Spannung im Falle des Lastsprungs ein Abweichen von der Sollhelligkeit. Dieser Effekt kommt umso stärker zum Tragen, je kleiner die Einschaltdauer der im Einschwingbereich, d. h. in demjenigen Zeitraum, den die Steuereinheit 2 benötigt um die Treiberstufe 3 wieder nahezu auf den Sollstrom ausgeregelt hat, angeschalteten Leuchtdioden ist.
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In 6 ist der Strom I_out, der durch die elektrische Last 1 fließt, analog zu 5 dargestellt. Es sind außerdem die Zustände der Leuchtdioden LED1 bis LED5, eingeschaltet oder ausgeschaltet, dargestellt. Die Darstellung in 6 erfolgt im Verlauf über die Zeit t. Es zeigt sich, dass zum Zeitpunkt t3 der Stromfluss I_out durch das Einschalten der Leuchtdiode LED5 einbricht und eine bekannte Zeitdauer Treg notwendig ist, bis der Strom I_out wieder nahezu auf den Sollwert geregelt ist. Im Zeitintervall t3 + Treg fließt daher durch die in diesem Zeitraum eingeschalteten und leuchtenden Leuchtdioden LED1, LED4, LED5 ein zunächst geringerer Strom I_out, so dass deren Lichtabgabe reduziert wird. Im weiteren Verlauf ergibt sich eine Stromüberhöhung aufgrund des Regelverhaltens. Es erfolgt daher eine für einen Nutzer sichtbare Helligkeitsänderung. Diese Helligkeitsänderung macht sich als Flackern bemerkbar. Das Flackern wird noch verstärkt, wenn sich die Einschaltzeitpunkte der Leuchtdioden LED1 bis LED5 innerhalb des Einschwingbereichs, z. B. durch das Einschalten von zusätzlichen Leuchtdioden LED1 bis LED5, oder das Ändern der Einschaltdauer der Leuchtdioden LED1 bis LED5, verschieben.
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Ein Schaltzyklus T entspricht dem Zeitintervall 0 bis T. Die Dauer eines Schaltzyklus T wird so kurz gewählt, z. B. 20 ms, so dass er für das menschliche Auge nicht mehr wahrnehmbar ist. Dennoch macht sich der Stromeinbruch durch ein Flackern bemerkbar. Um dieses Flackern nunmehr auszugleichen bzw. für das menschliche Auge fast unsichtbar zu machen, wird ein Korrekturzeitraum Tkorr an jeden Schaltzyklus T, in dem ein Einbruch des Stromes I_out erfolgt, angehängt. Der Schaltzyklus T wird somit um diesen Korrekturzeitraum Tkorr verlängert. Der Korrekturzeitraum Tkorr entspricht maximal der Zeitdauer Treg, die zum Ausregeln des Stromeinbruches benötigt wird. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Korrekturzeitraum Tkorr aber kürzer als der Zeitraum Treg gewählt. Es ist nämlich zu berücksichtigen, dass es durch die Nachregelung des Stromes I_out zu einem leichten Überschwingen der Stromstärke I_out kommt. Dies ist in 6 ebenfalls dargestellt. Durch dieses Überschwingen werden die zu diesem Zeitpunkt eingeschalteten Leuchtdioden LED1, LED3, LED4 und LED5 zu einer etwas stärkeren Lichtabgabe gebracht. Beim Wiederansteigen des Sollstromes I_out leuchten die eingeschalteten Leuchtdioden LED1, LED3, LED4, LED5 infolge der leichten Überhöhung des Stromes I_out kurzfristig etwas heller. Dies berücksichtigend, kann zum Ausgleich der Helligkeitsabgabe über den Schaltzyklus T, über den angehängten Korrekturzeitraum Tkorr, um welchen der Schaltzyklus T dann verlängert wird, die gesamte Lichtabgabe der Leuchtdioden, die in dem Schaltzyklus T leuchten, für das menschliche Auge angepasst bzw. korrigiert werden. Durch das Verlängern des Schaltzyklus T wird faktisch der Fehler in der Helligkeitsabgabe der Leuchtdioden LED1 bis LED5 ausgeglichen.
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Wie ausgeführt, sind nur diejenigen Leuchtdioden LED1 bis LED5 betroffen, die zum Zeitpunkt t3 bis t3 + Treg eingeschaltet sind. Wesentlich ist nunmehr, dass die Zeitpunkte des An- und Abschaltens der betroffenen Leuchtdioden vorher bekannt sind. Die Steuereinheit 2 steuert die Leuchtdioden in einem Schaltzyklus T an. Daher ist der Steuereinheit 2 vor jedem Schaltzyklus T bekannt, wann welche der Leuchtdioden LED1 bis LED5 ein- und ausgeschaltet werden. Damit ist auch die zeitliche Lage der Regelabweichung innerhalb des Schaltzyklus T bekannt und es kann ein gezielter Eingriff von der Steuereinheit 2 erfolgen. Es werden nunmehr die Einschaltdauer der Leuchtdioden LED1 bis LED5, die im Zeitintervall Treg eingeschaltet sind, derart modifiziert, dass die Helligkeitsänderung aufgrund des Stromeinbruchs ausgeglichen wird. Hierzu muss zunächst die Reaktion des Regelkreises Steuereinheit 2 und Treiberstufe 3 bei einer definierten Laständerung im gesamten Lastbereich quantifiziert werden. Aus diesem Ergebnis und der Kenntnis der einzelnen Kennlinien der Leuchtdioden LED1 bis LED5, lässt sich vorab die zu erwartende Helligkeitsdifferenz im Zeitintervall Treg ermitteln. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung errechnet die Steuereinheit 2 anhand der U/I-Kennlinien der Leuchtdioden LED1 bis LED5 die Änderung der Helligkeitsabgabe. Es ist besonders vorteilhaft, den Schaltzyklus T in Zeiteinheiten ZE gleicher Länge zu unterteilen. Dies ist jedoch vor allem im Zeitraum, beginnend mit dem Zeitintervall Treg bis zum Ende des Schaltzyklus T, vorteilhaft.
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In 6 ist der Schaltzyklus T + Tkorr, beginnend ab dem Stromeinbruch des Stromes I_out bei t3, in solche Zeiteinheiten ZE unterteilt dargestellt. Dieser Zeitraum ist in sieben gleichlange Zeiteinheiten, mit ZE1 bis ZE7 bezeichnet, unterteilt. In 6 entspricht die Länge einer Zeiteinheit ZE1 bis ZE7 der Zeitdauer Tkorr.
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Je nach Zeitpunkt des Ein- oder Ausschaltens der Leuchtdioden LED1–LED5 und der Lage des Stromeinbruches ergibt sich dann, ob eine Nachregelung durch eine Verlängerung oder Verkürzung der Einschaltdauer zu erfolgen hat. In 6 sind vom Stromeinbruch und der Stromausregelung die Leuchtdioden LED1, LED3, LED4, LED5, betroffen. Deren Einschaltdauern sind entsprechend zu korrigieren. Die Korrekturen erfolgen entweder verlängernd oder verkürzend, je nachdem, zu welchem Zeitpunkt die Leuchtdioden LED1, LED3, LED4, LED5 eingeschaltet sind.
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Eine Zeiteinheit ZE1 bis ZE7 stellt dabei die Einheit der Korrekturmöglichkeit dar. Je kürzer die Zeiteinheiten gewählt werden, desto feiner kann der Zeitbereich aufgelöst werden und eine genauere Korrektur erfolgen.
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Je nach Einschwingcharakteristik, Lage der Einschalt- und Ausschaltpunkte und der Anzahl der anzusteuernden Leuchtdioden LED1–LED5 kann es erforderlich sein, die Periodendauer eines Schaltzyklus T zu verändern, d. h. zu verlängern oder zu verkürzen. Die Ansteuerung erfolgt deshalb immer unter der Berücksichtigung aller Korrekturen im Rahmen der maximal möglichen Periodendauer eines Schaltzyklus T, der dann um die maximale Zeitdauer Tkorr verlängert bzw. verkürzt werden muss. Die Zeitdauer Tkorr ist die rechen- oder messtechnisch ermittelte maximale Zeitdauer, welche zum Ausregeln des Stromeinbruches und zur Anpassung der Helligkeitsabgabe aller Leuchtdioden notwendig ist.
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Bei einer entsprechenden Leistungsfähigkeit der Steuereinheit 2 und Regelgeschwindigkeit der Treiberstufe 3 können die Korrekturwerte für die Zeiteinheiten ZE1–ZE7 auch dynamisch ermittelt und jeweils für jeden einzelnen Schaltzyklus errechnet werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nimmt die Steuereinheit 2 vor dem Einschalten einer einen Lastsprung auslösenden Leuchtdiode eine Erhöhung der Ausgangsspannung der Treiberstufe 3 vor. Auf diese Weise wird bereits vor dem Eintritt des Lastsprungs mit einer Ausregelung begonnen. Je leistungsfähiger die Treiberstufe 3 ist und je schneller diese eine Spannungserhöhung ausführen und ausregeln kann, umso geringer fallen die zeitlichen Korrekturmaßnahmen aus.
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Bei der Leuchtdiode LED2 besteht keine Notwendigkeit der Korrektur, da die Leuchtdiode LED2 während des Stromeinbruches ausgeschaltet und nicht aktiv ist.
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Für den Stromeinbruch ist eine Verlängerung der Einschaltdauer von zwei Zeiteinheiten ZE erforderlich, durch den folgenden Überschwinger eine Reduzierung der Einschaltdauer von einer Zeiteinheit ZE notwendig, damit ergibt sich für Tkorr eine Dauer von einer Zeiteinheit ZE.
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Die Korrekturwerte für die Leuchtdioden LED1 und LED5 betragen jeweils eine Zeiteinheit ZE, da der gesamte Ein schwingvorgang der Ausregelung des Stromeinbruches I_out im Ansteuerbereich beider Leuchtdioden LED1 und LED5 liegt. Bei der Leuchtdiode LED4 muss um zwei Zeiteinheiten korrigiert werden, da der Stromeinbruch komplett während des eingeschalteten Zustandes dieser Leuchtdiode LED4 erfolgt, gem. 6 über fast zwei Zeiteinheiten ZE1 und ZE2 hinweg. Ohne diesen Korrektureingriff über zwei Zeiteinheiten ZE1 und ZE2 würde die Leuchtdiode LED4 zu wenig Licht über den gesamten Schaltzyklus T abgeben. Die Leuchtdiode LED3 wird um eine Zeiteinheit ZE korrigiert. Die Einschaltdauer der Leuchtdiode LED3 wird um eine Zeiteinheit ZE verringert. Dies ist notwendig, da die Leuchtdiode LED3 exakt zum Zeitpunkt t2 zugeschaltet wird, wenn die Stromüberhöhung anliegt, folglich bei nicht korrigierter Ansteuerung die Leuchtdiode LED3 zu viel Licht abgeben würde.
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In 7 sind die Schaltzustände und die Einschaltdauer der Leuchtdioden LED1 bis LED5 mit den genannten Korrekturen dargestellt. Durch diese Korrektur ergeben sich aber Verschiebungen der Einschalt- und Ausschaltzeitpunkte, die dazu führen, dass weitere Lastsprünge auftreten. In 7 würde zum Zeitpunkt t2 ein solcher weiterer Lastsprung auftreten, da die bisherige Kompensation des Lastsprunges, der beim Einschalten der LED3 entstanden wäre, durch das zeitgleiche Ausschalten der LED 4 kompensiert wurde. Nunmehr wäre dies in 7 nicht mehr der Fall, da LED 4 erst zum Zeitpunkt t4 abgeschaltet werden würde. Die Einschaltzeitpunkte innerhalb eines Schaltzyklus T werden daher nach Aufrechnung der Korrekturwerte entsprechend verschoben, so dass sich kein Versatz der Einschaltzeitpunkte zueinander und damit kein weiterer Lastsprung ergibt. Mittels dieser Maßnahme ist außerdem gewährleistet, dass bei T + Tkorr alle Leuchtdioden LED1–LED5 gleichzeitig abschalten. Im konkreten Ausführungsbeispiel gemäß 6 und der Korrektur gemäß 7 ist eine Verkürzung der Schaltdauer lediglich bei der Leuchtdiode LED3 notwendig.
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In 8 sind diese Verschiebungen berücksichtigt und die Schaltflanken angepasst, so dass die Schaltpunkte optimiert sind. Es ergibt sich nunmehr, dass durch die geschickte Verschiebung der Ein- und Ausschaltpunkte der Leuchtdioden LED3 und LED4 in 8 ein Lastsprung, der bei 7 beim Einschalten der Leuchtdiode LED3 entstehen würde, vermieden wird. Der Lastsprung, der bei Zuschaltung der Leuchtdiode LED5 zum Zeitpunkt t3 erfolgt, wird über die zeitliche Zusatzkorrektur der Anschalt- und Abschaltdauer der Leuchtdioden LED1–LED5 kompensiert. Mit der Verlängerung oder Verkürzung der Einschaltdauer der Leuchtdioden LED1 bis LED5 ist es möglich, die Helligkeitsschwankungen zu minimieren. Im Weiteren ist es durch eine geschickte Anpassung der An- und Abschaltzeitpunkte der Leuchtdioden LED1 bis LED5 möglich, Lastsprünge zu unterbinden und ein Flackern zu vermeiden. Je kürzer die Zeiteinheiten zur Korrektur gewählt werden, desto genauer ist ein Ausgleich und somit ein Vermeiden von Helligkeitsschwankungen möglich.
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Das Verfahren ist besonders kostengünstig, da es auf bereits verwendeten und eingesetzten Komponenten, ohne Zusatzkomponenten, realisierbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- LED1 ... LEDn
- Einzellast
- S1 ... Sn
- steuerbare Schalter
- Uv
- Versorgungsspannung
- U_in
- Eingangsspannung
- U_out
- Ausgangsspannung
- Ua
- Stromspannung
- I_out
- Ausgangsstrom
- I_soll
- Sollstrom
- 1
- elektrische Last
- 2
- Steuereinheit
- 3
- Treiberstufe
- 4
- Strommesspunkt
- ZE1 ... ZE7
- Zeiteinheiten
- T
- Schaltzyklus
- Tkorr
- Korrekturzeitraum
- Treg
- Regelzeitraum
- t1, t2, t3, t4
- Zeitpunkte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202007011973 U1 [0004]
- DE 2006059355 A1 [0005]
- DE 102005058484 A1 [0006]
