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HINTERGRUND
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TECHNISCHES GEBIET
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Erfindungsgemäße Ausführungsformen
betreffen im Allgemeinen Beleuchtungsvorrichtungen mit steuerbaren
lichtemittierenden Elementen, wie z. B. Leuchtdioden (light emitting
diodes, LEDs).
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STAND DER TECHNIK
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LEDs
sind wesentlich energieeffizienter und langlebiger als Glühlampen
oder sogar Leuchtstofflampen. Bezüglich Beleuchtungsvorrichtungen
auf LED-Basis gibt es jedoch zu beanstanden, dass ihre Leuchtkraft
relativ gering ist.
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Es
sind einige Produkte auf LED-Basis erhältlich, die aussehen wie ein
Standardglühlampensockel, aber
ihre Leuchtkraft ist sehr gering, beispielsweise ungefähr 130 Lumen.
Eine Lichtleistung von ungefähr 1000
Lumen kann benötigt
werden, um derjenigen einiger herkömmlicher Glühlampen nahe zu kommen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird aus der nachstehend gegebenen ausführlichen
Beschreibung und aus den begleitenden Zeichnungen der erfindungsgemäßen Ausführungsformen
vollständiger
verstanden werden, die jedoch die Erfindung nicht auf die spezifischen
beschriebenen Ausführungsformen
beschränken
sollen, sondern lediglich der Erläuterung und dem Verständnis dienen.
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1 ist
ein Diagramm einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß einiger erfindungsgemäßer Ausführungsformen.
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2 ist
ein Blockdiagramm eines Stromversorgungsschaltkreises und LEDs.
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3 ist
ein Blockdiagramm eines Stromversorgungsschaltkreises und LEDs.
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4 ist
ein Blockdiagramm eines Beleuchtungssystems auf LED-Basis einschließlich einer
getakteten Stromversorgung mit Fähigkeiten
zur Intensitätssteuerung
gemäß einiger
erfindungsgemäßer Ausführungsformen.
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5 ist
ein Diagramm, das Pulsweitenmodulation (pulse width modulation,
PWM) zeigt, um Strom zu regeln.
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6 ist
ein Blockdiagramm eines Ringoszillators des Standes der Technik.
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7 ist
ein Blockdiagramm eines Pulsweitenmodulators (pulse width modulator,
PWM), der bei einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen verwendet werden
kann.
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8 ist
ein Blockdiagramm eines Beleuchtungssystems auf LED-Basis ähnlich demjenigen
von 4, aber ohne einer Spule und bestimmten Kondensatoren
gemäß einiger
erfindungsgemäßer Ausführungsformen.
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9 ist
ein Diagramm einer Schaltwellenform für Transistoren, die mit den
Systemen von 8 verwendet werden kann.
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10 ist
ein Blockdiagramm eines Beleuchtungssystems auf LED-Basis mit Fähigkeiten
zur Steuerung mehrerer Farben und der Intensität gemäß einiger erfindungsgemäßer Ausführungsformen.
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11 ist
ein Diagramm, das eine Beleuchtungsvorrichtung einschließlich einstellbarer
Steuerungen zeigt, um Farbe und/oder Intensität gemäß einiger erfindungsgemäßer Ausführungsformen
zu steuern.
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12 ist
ein Blockdiagramm einer Beleuchtungsvorrichtung und Fernsteuerung,
die durch eine Stromleitung gemäß einiger
Ausführungsformen
kommunizieren.
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13 ist
ein Blockdiagramm einer Beleuchtungsvorrichtung und einer drahtlosen
Fernsteuerung gemäß einiger
Ausführungsformen.
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14 ist
ein Blockdiagramm einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß einiger
Ausführungsformen.
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15 ist
ein Blockdiagramm einer Spule auf einem Chip gemäß einiger erfindungsgemäßer Ausführungsformen.
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16 ist
ein Blockdiagramm einer Spule auf einem Gehäuse gemäß einiger erfindungsgemäßer Ausführungsformen.
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17 veranschaulicht
eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer vollständig geschlossenen Abdeckung
einschließlich
transparenter und nicht transparenter Teile gemäß einiger erfindungsgemäßer Ausführungsformen.
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18 veranschaulicht
eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer teilweise geschlossenen Abdeckung gemäß einiger
erfindungsgemäßer Ausführungsformen.
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19 veranschaulicht
eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer einzigen LED gemäß einiger
erfindungsgemäßer Ausführungsformen.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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Bei
einigen Ausführungsformen
werden LEDs für
Haushalts- oder leicht kommerzielle Beleuchtungsvorrichtungen verwendet,
indem die LEDs und verbundene Elektronik in ein mechanisches Gehäuse eingebettet
werden, das einen herkömmlichen
Glühlampenstecker
beinhaltet, sodass sie in herkömmliche
Fassungen für
Glühlampen
oder kompakte Leuchtstofflampen passen, beispielsweise Fassungen,
die es weltweit gibt. Bei einigen Ausführungsformen stellt die Beleuchtungsvorrichtung
die gleiche oder eine ähnliche
Leuchtkraft wie eine Glühlampe
bereit, und bei einigen Ausführungsformen
erfolgt dies mit wesentlich geringerer Stromeinspeisung. Beispielsweise
passt eine LED-Glühlampe gemäß einiger
erfindungsgemäßer Ausführungsformen in
eine herkömmliche
110 V (oder 220 V) Glühlampen-Fassung
oder andere herkömmliche
Fassungen, vielleicht sogar ohne dass der Verbraucher den Unterschied
bemerkt. Bei einigen Ausführungsformen
verbreitet eine Lampenabdeckung oder -verkapselung oder ein anderes
Gehäuse,
die/das eventuell aus irgendeinem organischen oder anorganischen
Material hergestellt ist, das Licht effizient und verleiht das Gefühl einer
herkömmlichen
Glühlampe
oder Leuchtstofflampe. Bei weiteren Ausführungsformen sind die Details
unterschiedlich.
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1 veranschaulicht
eine Beleuchtungsvorrichtung 100 einschließlich einer
oder mehrerer LEDs 120 und einen Glühlampenverbinder 110,
der ebenfalls Beleuchtungsvorrichtungsverbinder, Glühlampenstecker oder
Sockel genannt werden kann. LEDs 120 werden von einem LED-Träger 124 getragen.
Bei weiteren Ausführungsformen
erstreckt sich Träger 124 nicht über Glühlampenverbinder 110.
Verbinder 110 beinhaltet Gewinde 114, um es ihm
zu ermöglichen,
sich mit einer Fassung zu verbinden. Strom wird dem Verbinder 110 von
der Fassung bereitgestellt. Verbinder 110 befindet sich
an einem Ende der Glühlampe
(oder Beleuchtungsvorrichtung). Stromversorgungsschaltkreis 130 stellt
LEDs 120 Strom bereit und ist in Glühlampenverbinder 110 und/oder
sonst wo in Vorrichtung 100 beinhaltet. In 17 beispielsweise
befindet sich Stromversorgungsschaltkreis 130 teilweise
in Verbinder 110 und teilweise in Abdeckung 150 und
noch spezieller teilweise in Träger 160.
LED-Träger 160 trägt LEDs 120.
In 18 befindet sich Stromversorgungsschaltkreis 130 vollständig in
LED-Träger 160 oder
auf Träger 160.
Die unterschiedlichen Platzierungen von Stromversorgungsschaltkreis 130 könnten mit
jeglichen in den Figuren gezeigten Beleuchtungsvorrichtungen umgesetzt
werden.
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LEDs 120 können ultrahelle
LEDs oder irgendeine andere Art von LEDs einschließlich derzeit
erhältlicher
und zukünftiger
LEDs sein. Bei einigen Ausführungsformen
beinhaltet Beleuchtungsvorrichtung 100 eine Glühlampenabdeckung
oder -verkapselung 140. Verbinder 110 und Träger 124 sind
Teil einer Vorrichtungsträgerstruktur 144 für LEDs und
einer Stromversorgung 130. Es ist zu beachten, dass sich
Verbinder 110 an einem Ende von Trägerstruktur 144 befindet.
Glühlampenverkapselung 140 streut
oder verbreitet Licht von den LEDs, die typischerweise stark gerichtet
sind. Bei einigen Ausführungsformen
ist beabsichtigt, dass das Licht gerichtet ist, daher ist eine Lichtstreuungsglühlampe nicht
beinhaltet. Obwohl mehrere der Figuren nur zwei LEDs zeigen, können LEDs 120 mehr
als zwei LEDs in einer Beleuchtungsvorrichtung beinhalten. Es kann
unterschiedliche Arten von LEDs in den unterschiedlichen Beleuchtungsvorrichtungen
geben und es kann unterschiedliche Arten von LEDs in der gleichen
Beleuchtungsvorrichtung geben. 19 zeigt
eine Beleuchtungsvorrichtung mit nur einer LED 120. Es
ist zu beachten, dass Stromversorgungsschaltkreis 130 anders
sein kann, wenn nur eine LED verwendet wird.
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Bei
einigen Ausführungsformen
gibt es keine Abdeckung oder Verkapselung. Bei einigen Ausführungsformen
ist ein Teil der Abdeckung nicht transparent (beispielsweise reflektierend),
während
ein anderer Teil der Verkapselung transparent oder abdeckend ist. 17 beispielsweise
veranschaulicht eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer vollständig geschlossenen
Abdeckung 150 mit einem transparenten Teil 154 und einem
nicht transparenten Teil 156, um LEDs 120 vollständig abzuschließen. 1 zeigt
ebenfalls eine vollständig
geschlossene Abdeckung. 18 zeigt
eine teilweise geschlossene Abdeckung 170, da LEDs 120 am oberen
Ende freiliegend bleiben. In 18 sind
LEDs als sich teilweise über
Abdeckung 170 erstreckend gezeigt, aber hierbei ist es
egal, ob die Abdeckung vollständig
oder teilweise geschlossen ist.
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Die
Erfindung ist nicht auf eine Verwendung mit Beleuchtungsvorrichtungen,
wie sie in 1 gezeigt sind, beschränkt. Verschiedene
andere Formen und Größen können verwendet
werden. Glühlampenverbinder 110 kann
derart gestaltet sein, dass er eine standardisierte Größe aufweist,
um in eine von verschiedenen Fassungen mit Standardgröße zu passen,
oder er kann keine Standardgröße aufweisen.
Beispiele von Standardstrom für
herkömmliche
Glühlampen
und Leuchtstofflampen beinhalten 25 W, 40 W, 60 W, 75 W und 100
W. Einige erfindungsgemäße Ausführungsformen
ermöglichen
die gleiche, mehr als die gleiche oder beinahe die gleiche Lumenleistung
wie die herkömmlichen
Glühlampen
und Leuchtstofflampen bei wesentlich weniger Stromeinspeisung. Beispielsweise
können
einige Ausführungsformen
von Beleuchtungsvorrichtung 100 die gleichen Lumen bei
weniger als der Hälfte
der Eingangsenergie bereitstellen. Einige Ausführungsformen von Beleuchtungsvorrichtung 100 funktionieren
mit vielerlei Spannungen und Spannungsbereichen. Bei einigen Ausführungsformen
beispielsweise kann die Beleuchtungsvorrichtung mit einem großen Bereich
von Eingangsspannungen von 90 bis 250 V (Volt) funktionieren, oder
als weiteres Beispiel kann der Eingangsbereich bei einigen Ausführungsformen
100 bis 230 V. betragen. Das heißt, dass bei weiteren Ausführungsformen
die Beleuchtungsvorrichtung nur mit einem sehr viel beschränkteren
Bereich von Eingangsspannungen funktionieren kann. LEDs sind ein
Beispiel lichtemittierender Elemente. Weitere Beispiele lichtemittierender
Elemente beinhalten kleine herkömmliche
Glühlampen,
die in eine größere Beleuchtungsvorrichtung
passen. Wie hierin verwendet, ist der Begriff Licht nicht auf das
sichtbare Spektrum beschränkt,
sondern kann Frequenzen außerhalb
des sichtbaren Spektrums beinhalten.
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Eine
100-W-Glühlampe
kann ungefähr
1500 (Bereich zwischen 1300 und 1700) Lumen Licht erzeugen, und
die heutigen LEDs können
ungefähr
60 (Bereich zwischen 50 und 70) Lumen pro Watt bereitstellen, was
erwartungsgemäß mit sich
entwickelnder Technologie steigen soll. Daher bräuchte man ungefähr 10 LEDs,
von denen jede 2,5 W verbraucht, was insgesamt 25 W elektrischen
Strom verbraucht, um die gleiche Leistung (Lumen) bereitzustellen,
wie eine 100-W-Glühlampe.
Der Spannungsabfall über
eine LED kann von 2 bis 5 Volt variieren, abhängig von der Art und der Farbe
der LED. Es ist zu beachten, dass eine einzelne LED nicht direkt
mit der Hauptversorgungsspannung verbunden werden kann. Wenn der
Spannungsabfall über eine
LED ungefähr
5 V beträgt,
dann beträgt
der Strom durch die LED ungefähr
0,5 Ampere, wobei 2,5 W verbraucht und ungefähr 150 Lumen Licht erzeugt
werden.
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2 veranschaulicht
Stromversorgungsschaltkreis 200, um Strom für LEDs 240 bereitzustellen,
einschließlich
paralleler Gruppen von Serien-LEDs 240 (242-1 ... 242-n)
und LEDs 244 (244-1 ... 244-n). Diese Implementierung
ist nicht sehr effizient, aber sie wird hier zum Verständnis der
Idee erörtert.
Eine Wechselstromversorgungsspannung 210 wird durch Eingangsleiter 212 und 214 einem
Vollwellen-Brückengleichrichter 220 in
Reihe mit einer Spule 230 bereitgestellt. Brückengleichrichter 220 wandelt
das alternierende Wechselstrom-Eingangssignal in ein direktes Gleichstromsignal
um. Spule 230 dient als eine Vorschaltung, um einen ausreichenden
Spannungsabfall darüber
bereitzustellen, sodass der Rest des Systems mit sehr viel geringerer Spannung
gespeist wird. Der Spannungsabfall über die Spule 230 kann
proportional zu der Induktivität
der Spule 230 sein, wobei eine höhere Induktivität einen
größeren Spannungsabfall
bereitstellt, aber eine größere Spule 230 zur
Folge hat. Daher gibt es eine praktische Grenze für die Größe der Spule 230,
die eingesetzt werden kann. Eine Spule, wie z. B. Spule 230,
wird bei verschiedenen Ausführungsformen
verwendet, um im Voraus einen Spannungsabfall bereitzustellen, bevor
ein Wechselstromsignal in ein Gleichstromsignal umgewandelt wird.
Bei weiteren Ausführungsformen
wird eine Vorschaltspule, wie Spule 230, nicht verwendet.
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Brückengleichrichter 220 ist
zwischen Spule 230 und Leiter 214 und zwischen
Knoten 236 (+) und Knoten 238 (–) gekoppelt.
Ein zwischen Knoten 236 und 238 gekoppelter Kondensator 260 dient
als ein Filter, um ein 50/60 Hz Brummen zu entfernen und die Versorgungsspannung
an reinen Gleichstrom anzunähern. Die
Gleichstromspannung über
Kondensator 260 kann genauso groß sein, wie der Spitzenwert
der Eingangsspannung, beispielsweise ungefähr das 1,4-Fache der Eingangsspannung
(110 V oder 220 V), ungefähr
150 oder 300 V gegebenenfalls. In unserem hypothetischen Fall wird
angenommen, dass LEDs 242 und 244 jeweils 10 LEDs
in Reihe aufweisen, mit 5 V über
jede LED, womit der Gesamtabfall über die LEDs 50 V beträgt. Wenn
Vorschaltspule 230 nicht vorhanden ist, fällt der
Rest der Spannung (z. B. 100 bis 250 V) über Vorschaltwiderstände 250 und 252 ab.
Die LEDs verbrauchen 25 W Leistung und Vorschaltwiderstände 250 und 252 verbrauchen
50 bis 125 W Leistung, die als Wärme
verloren gehen. Wenn eine Vorschaltspule 230 vorhanden ist,
wäre der
Abfall über
den Widerstand 250 geringer, abhängig von der Induktivität der Spule 230.
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3 ist ähnlich 2,
mit der Ausnahme, dass der Stromversorgungsschaltkreis 300 einen
Transformator 310 beinhaltet und nicht eine Spule 230.
Transformatoren 310 sind jedoch tendenziell sperrig und schwer.
Es ist wichtig zu beachten, dass für beide Aufbauten von 2 und 3 der
gleiche Aufbau nicht für sowohl
110 V als auch 220 V verwendet werden kann. Das heißt, dass
für 110
V ein anderer Wert von Spule 230 verwendet werden würde als
für 220
V, und dass für
110 V ein anderer Wert von Transformator 310 verwendet
werden würde
als für
220 V. Stromversorgungsschaltkreise 200 und 300 entsprechen
dem Stand der Technik, obwohl die Erfinder nicht sicher wissen,
ob genau diese Stromversorgungsschaltkreise in Verbindung mit Glühlampen
auf LED-Basis mit
Standardgröße verwendet
wurden.
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4 veranschaulicht
einen Stromversorgungsschaltkreis 400 einschließlich eines
Schaltreglers 410, um für
LEDs 240 Strom bereitzustellen. Schaltregler 410 bringt
eine Regelung ein, die einen Stromverbrauch in LEDs 240 überwacht,
um den durch LEDs 240 fließenden Strom zu regulieren.
Schaltregler 410 (im Stand der Technik manchmal auch Abwärtswandler,
Schaltumwandler oder getaktete Stromversorgung genannt) ist mit
Knoten 236 und 238 gekoppelt und beinhaltet Schaltelemente 420 und 425,
Kondensator 470, eine Spule 414 (oder Spulen 414),
Widerstand 440, Kondensator 450 und Schaltsteuerschaltkreis 430.
Verschiedene Arten von getakteten Stromversorgungen sind aus der
Technik bekannt. Schaltsteuerschaltkreis 430 steuert Schaltelemente 420 und 425 durch
Leiter 436 und 438. Schaltelemente 420 und 425 können beispielsweise bipolare
Hochspannungs- oder MOSFET-Transistoren T1 und T2 sein. Die Verwendung
von zwei Transistoren ist beispielhaft und soll nicht einschränkend sein. Ähnliche
Schaltungen können
einen Transistor und eine Diode oder unterschiedliche Kombinationen
von Transistoren und Dioden verwenden. Bei einigen Ausführungsformen
beispielsweise ist Element 420 ein Transistor und Element 425 ist
eine Diode.
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Bei
Betrieb wird der Hochspannungswechselstromeingang an Leitern 212 und 214 unter
Verwendung eines herkömmlichen
Vollwellen-Brückengleichrichters 220 in
Gleichstrom umgewandelt. Vorschaltspule 230 stellt einen
Spannungsabfall bereit, bevor sie in Gleichstrom umgewandelt wird.
Die Gleichstromspannung wird von dem Kondensator 460 zwischen
Knoten 236 und 238 gefiltert, um ein Wechselstrom-Brummen
zu entfernen oder zumindest zu verringern. Ein Entfernen von Brummen
aus Signalen ist wohlbekannt.
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Wenn
T1 an ist, ist T2 aus und umgekehrt. Wenn T1 an ist, leitet er,
und T2 wird ausgeschaltet, wodurch eine offene Schaltung geschaffen
wird und umgekehrt. Wenn T1 angeschaltet wird, ist die Spule 414 zwischen
der hohen Gleichstromspannung und geringen Ausgangsspannung verbunden
und Induktionsfluss wird in Spule 414 aufgebaut.
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Wenn
T1 ausgeschaltet wird und T2 an ist, fließt der Strom durch Spule 414 weiter
zu Kondensator 470 und zu LEDs 240. Widerstände 250 und 252 in
Reihe mit LED-Ketten 242 und 244 können einen
sehr geringen Widerstand aufweisen und als eine Vorschaltung dienen,
um Fehlanpassungen bei den LED-Charakteristika zu kompensieren,
und könnten
entfallen, wenn nur eine LED-Kette 240 verwendet wird.
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Ein
Widerstand 440 kann ein Messwiderstand mit einem sehr geringen
Widerstandswert Rsense sein. Der Spannungsabfall über Widerstand 440 wird
von einem kleinen Kondensator 450 gefiltert, um ein Brummen auszusondern
und das Signal auszumitteln. Diese Spannung Vs ist ein Maß für den Strom,
der durch LEDs 240 fließt, und wird auf Leiter 482 an
Schaltsteuerschaltkreis 430 gespeist.
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Die
Ausgangsspannung von Schaltregler 410 kann auf die Anzahl
von LEDs 240 in LED-Ketten 242 und 244 reagieren.
Die Anzahl von LEDs in einer Kette und die Anzahl von Ketten kann,
bei einer vorgegebenen gewünschten
Lichtleistung, von bekannten technischen Kompromissen gewählt werden.
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Bei
einigen Ausführungsformen
empfängt
Schaltsteuerschaltkreis 430 ein Intensitätssteuersignal
auf Leiter(n) 480, die in Verbindung mit 7 erörtert werden.
Bei einigen Ausführungsformen,
wie z. B. in 11, erfolgt eine Intensitätssteuerung
durch manuelle Betätigung
und ein Leiter 480 wird nicht verwendet. Bei weiteren Ausführungsformen
gibt es keine solche Intensitätssteuerung.
Eine Intensitätssteuerung
ermöglicht
es, die Helligkeit einiger oder aller LEDs zu steuern und wird nachstehend
ausführlicher
beschrieben. Dies kann ebenfalls Dimmersteuerung genannt werden.
Ein internes Intensitätssteuersignal,
wie z. B. auf Leiter 480, kann auf ein externes Intensitätssteuersignal
reagieren.
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5 zeigt
einen Effekt eines Regel-Rückkopplungssystems
mit Pulsweitenmodulation, das aus der Technik bekannt ist. Bei einigen
Ausführungsformen
wird die Betriebsfrequenz konstant gehalten, somit ist die Zeitdauer
T unveränderlich.
In Fall (a), während
eines nominalen Betriebs, baut Spule 414 Induktionsfluss während Zeit
t auf und stellt Kondensator 470 und LEDs 240 während Zeit
T-t weiterhin Strom bereit. In Fall (b) ist die erfasste Spannung
Vs größer als
Referenz Vref, was anzeigt, dass höherer Strom durch LEDs 240 fließt und somit
ist Zeit t verringert. Gleichermaßen ist in Fall (c) der Strom
durch LEDs 240 erhöht,
indem in Spule 414 ein höherer Strom aufgebaut wird,
indem Zeit t erhöht
wird.
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In 5 ist
die Frequenz konstant und der Arbeitszyklus wird verändert, indem
die Impulsbreite variiert wird. Bei einem zweiten Ansatz kann der
Arbeitszyklus verändert
werden, indem die Impulsbreite konstant gehalten wird und die Zeitdauer
(Frequenz) verändert
wird. Bei einem dritten Ansatz wird der Arbeitszyklus konstant gehalten,
aber die Frequenz ändert
sich. Der zweite und dritte Ansatz kann Veränderungen beim Brummen hervorrufen,
aber dies ist ein bekannter Aufbau-Kompromiss. Noch alternativ könnten sowohl
die Frequenz als auch die Impulsbreite verändert werden.
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6 zeigt
eine Ausführungsform
eines freischwingenden Oszillators 610 mit Ausgangssignal
Vosz auf Leiter 620. Der Ausgang des Ringoszillators 620 ist
ein beinahe sinusförmiges
Spannungssignal wie in 6 gezeigt. Ein einfacher Ringoszillator
kann stabil genug sein, da Schaltsteuerschaltkreis 430 den
Arbeitszyklus einstellen kann, um Veränderungen der Vosz-Frequenz
zu kompensieren.
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7 zeigt
einen der vielen Wege, Schaltsteuerschaltkreis 430 zu implementieren.
Schaltsteuerschaltkreis 430 beinhaltet einen Oszillator 610,
der derselbe oder ein anderer Oszillator wie von 6 sein kann,
um das Signal Vosz auf Leiter 620 an einen positiven Eingang
von Vergleicher 740 bereitzustellen. Ein negativer Eingang
von Vergleicher 740 stammt von dem Ausgang eines Vergleichers 730,
der die erfasste Spannung Vs und ein Referenzspannungssignal Vref
als Eingänge
empfängt.
Ein Rückkopplungsschaltkreis zur
Steuerung des Zuwachses der Vergleicher ist aus der Technik bekannt
und ist nicht gezeigt, um ein Durcheinander zu vermeiden. Das Vref-Signal
wird von einer Spannungsreferenz-Messschaltung 710 bereitgestellt. Bei
dem Beispiel von 7 beinhaltet Spannungsreferenz-Schaltung 710 eine
einfache Zener-Diode 720 und Widerstände 722 und 724,
um das Vref-Signal zu erzeugen. Aus der Technik ist die Verwendung
einer Zener-Diode und von Widerständen wohlbekannt, um eine Spannungsreferenz
zu erzeugen. Es gibt mehrere andere, komplexere Arten, die aus der
Technik bekannt sind, um Spannungsreferenz zu erzeugen, wie z. B.
unter Verwendung von Bandlückenreferenz.
Bei einigen Ausführungsformen
mit Intensitätssteuerung
ist Widerstand 724 ein variabler Widerstand oder eine Gruppe
von Widerständen.
Widerstand 724 kann ein Potentiometer oder ähnliches
Gerät sein,
bei dem der Widerstand durch manuelle Steuerung wie in 11 verändert wird. Alternativ
kann Widerstand 724 in Antwort auf eine Signaländerung
in Leiter(n) 480 verändert
werden. Beispielsweise könnte
ein Signal auf Leiter 480 Schalter steuern, was dazu führt, dass
ein oder mehr zusätzliche Widerstände parallel
geschaltet sind, wodurch der Widerstand verändert wird. Es ist zu beachten,
dass Leiter 480 bei einigen Ausführungsformen nicht beinhaltet
ist. Bei einigen Ausführungsformen
könnte
Vref direkt von Leiter 480 bereitgestellt werden, sodass
der andere Referenzschaltkreis 710 nicht verwendet wird,
um Vref zu erzeugen.
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Vergleicher 730 vergleicht
die erfasste Spannung Vs mit der Referenzspannung Vref und erzeugt
einen Schwellpunkt des nächsten
Vergleichers 740. Vergleicher 730 und 740 können Betriebsverstärker sein. Vergleicher 740 erzeugt
Markierimpulse t (erörtert
in Verbindung mit 5), deren Breite von dem Ausgang von
Vergleicher 730 abhängt.
Wenn Vergleicher 730 bestimmt, dass der Strom durch LEDs 240 zu
gering ist, dann wird die Impulsbreite t 520 vergrößert und
umgekehrt.
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Wenn
bei den veranschaulichten Ausführungsformen
Vs größer als
Vref ist, ist der Strom durch LEDs 240 höher als
gewünscht
und das Steuersystem tritt in Aktion, indem es die Zeit verringert,
während
der T1 an ist. Je kürzer
T1 an ist, desto weniger Strom wird in Spule 410 aufgebaut.
Wenn gleichermaßen
Vs geringer als Vref ist, erhöht
das Steuersystem die Zeit, während
der T1 420 AN ist und so weiter. Dieses Regel-Rückkopplungssystem überwacht
ständig
den Strom durch LEDs 240 und tritt in Aktion, um die Helligkeit
von LEDs 240 auf dem gewünschten Niveau zu halten. Wird
Intensitätssteuerung
verwendet, kann Vref eingestellt werden. Wenn Vref erhöht wird,
wird der Strom durch LEDs 240 erhöht. Daher stellt die veranschaulichte
Steuerschaltung 430 eine integrierte Intensitätssteuerung
bereit. Demnach ist Schaltsteuerschaltkreis 430 ein Pulsweitenmodulator,
der die Breite des Impulses t steuert, um Veränderungen von Strom und Spannungen
zu kompensieren. Die hier gezeigte Implementierung ist analog. Es
ist möglich,
ein digitales Design zu erzeugen, wenn dies gewünscht wird. Pulsweitenmodulation
ist ein wohlbekanntes Verfahren zur Steuerung von Spannung und Strom
und bei der Steuerung von LED-Helligkeit.
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Es
besteht eine Beziehung zwischen der Eingangsgleichstromspannung
V und Ausgangsgleichstromspannung v, wobei die Veränderung
des Stroms in der Spule 414 während Zeit t ΔI = (V – v)t/L
(dem in Spule 414 aufgebauten Strom) ist, wobei L die Induktivität von Spule 414 ist.
Genauso ist der Strom in Spule 414 während der Zeit (T – t) ΔI = v(T – t)/L (der
von Spule 414 abgeleitete Strom). Die beiden Erträge t/T =
v/V werden gleichgesetzt. Daher ist das Verhältnis der Ausgangsspannung
zur Eingangsspannung während durchgängigen Strombetriebs
proportional zu dem Arbeitszyklus der Schaltwellenform (t/T). Das
Steuersystem kann den Arbeitszyklus ständig einstellen, um die Spannung
v einzustellen, um den gewünschten
Strom in LEDs 240 aufrechtzuerhalten. Es ist zu beachten,
dass diese und andere Gleichungen in dieser Beschreibung Modelle
für den
Betrieb und nicht notwendigerweise genaue Beschreibungen des Betriebs
sind.
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Wenn
beispielsweise der Aufbau für
nominalen 110-V-Wechselstrom ist, dann beträgt die Eingangsgleichstromspannung
ungefähr
150 V, eine LED-Kette 242 erfordert 50 V, und das Verhältnis (t/T)
= (v/V) = 50/150 = 1/3, das heißt
ein 33% Arbeitszyklus. Das Steuersystem stellt den Arbeitszyklus
automatisch auf 33% ein, wenn 110-V-Wechselstrom als Eingang verbunden ist.
Wenn die Eingangsspannung unter 110 V gesenkt wird, dann steigt
der Arbeitszyklus automatisch, um sich der Veränderung anzupassen. Wenn gleichermaßen 220
V am Eingang angelegt werden, dann kann die Eingangsgleichstromspannung
V ungefähr
300 V betragen, und der Arbeitszyklus wird automatisch auf 50/300
= 1/6 eingestellt. Somit passt sich dieser Aufbau automatisch an
jede Eingangsspannung innerhalb eines angemessenen Bereichs an,
der von der implementierten Elektronik toleriert wird.
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Angenommen
W ist die gesamte in LEDs
240 verbrauchte Leistung, der
durchschnittliche Strom durch LEDs
240 beträgt I = W/v
und ein Brummstromprozentsatz ΔI/I
= ((V – v)
t v)/LW = ((1/WL) × (1 – (v/V)) × (v
2/f)), wobei f die Schaltfrequenz ist. Daher
ist (L × f)
= (1/W(ΔI/I)) × (1(1 – (v/V)) × (v
2). Als Beispiel für einen hierin beschriebenen
Aufbau, v = 50, V = 150, W = 25, und unter Annahme von 10% Brummstrom,
erhalten wir (L × f)
= 0,66 × 10
3. Die folgende Tabelle zeigt unterschiedliche
Werte von Spule
414 und damit verbundene Schaltfrequenzen,
die mit dem Aufbau verwendet werden können.
Schaltfrequenz
f (MHz) | Induktivität L von
Spule 414 |
1 | 660
Mikrohenry |
10 | 66
Mikrohenry |
100 | 6,6
Mikrohenry |
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Es
ist zu beachten, dass, wenn die Betriebsfrequenz erhöht wird,
die Größe der Spule 414 abnimmt. Die
heutige Hochleistungselektronik kann leicht bei mehr als 100 MHz
umschalten und würde
somit eine sehr kleine Spule 414 von 6,6 Mikrohenry erfordern.
Bei einigen Ausführungsformen
wird der Umwandler bei einer sehr hohen Frequenz umgeschaltet, um
die Größe der Spule 414 zu
verringern, sodass die Spule 414 leicht in den Sockel von
Glühlampenverbinder 110 eingebracht
werden kann oder sogar in die Elektronik 130 selbst integriert
werden kann, was nachstehend erörtert
wird.
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Beispielsweise
kann eine 6-Mikrohenry-Spule 414 mit einem Magnetkern gebaut
werden, der beispielsweise 5 mm lang ist, einen Durchmesser von
5 mm und sieben Windungen Kupferdraht aufweist – klein genug, um in den Sockel
einer herkömmlichen
Glühlampe
wie in 1 zu passen. Solch eine kleine Spule 414 ist
aufgrund höherer
Schaltfrequenz möglich.
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Es
gibt mehrere andere Wege, eine kleine Spule 414 zu implementieren,
außer
eine vorstehend erwähnte
separate Magnetkern-Spule zu verwenden. Die Spule 414 kann
als eine separate „Luftkern”-Spule 414 implementiert
sein, die ein wenig größer sein
kann, aber dennoch in den Sockel des herkömmlichen Glühlampenverbinders 110 passen
würde.
Spule 414 kann auf einem magnetischen Material oder einem
nicht magnetischen Material basieren. Ein weiteres Verfahren ist,
Spule 414 auf der Leiterplatte oder dem Gehäusesubstrat des
integrierten Controllers 430 zu integrieren. Bei dieser
Implementierung kann die Spule 414 von den Signalspuren
auf der Platte oder auf dem Gehäuse
gebildet werden. Magnetisches Material hoher Durchlässigkeit kann
eingebracht sein, um die Größe der Spule 414 auf
der Platte oder auf dem Gehäuse
zu verringern. Die Spule 414 kann auf einem Controller-Die
(integrierte Schaltung) als eine integrierte Spule mit oder ohne
magnetischem Material implementiert sein. All diese Optionen sind
möglich,
da die Betriebsfrequenz hoch ist, was eine kleinere Spule 414 ermöglicht.
Siehe 15 und 16.
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8 veranschaulicht
Stromversorgungsschaltkreis 800 einschließlich eines
Schaltreglers 810, die ähnlich
dem Stromversorgungsschaltkreis 400 und Schaltregler 410 sind,
mit der Ausnahme, dass Spule 230 und Kondensatoren 460 und 470 nicht
beinhaltet sind. Ohne die Filterkondensatoren ist der Strom noch
immer Gleichstrom, aber mit einem größeren Wechselstrombrummen als
bei der Schaltung mit den Filterkondensatoren 460 und 470.
Der durchschnittliche Strom wird gesteuert, es gibt jedoch größere Stromschwankungen, obwohl
der Pulsweitenmodulator, wie in 9 zu sehen,
arbeiten könnte.
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Bei
der Beleuchtungsapplikation kann die Augenträgheit sehr groß sein und
auch wenn LEDs 240 Stromimpulsspitzen, wie in 9 gezeigt,
empfangen, bestimmt der durchschnittliche Strom (oder RMS-Strom)
den Stromverbrauch und die empfundene Menge an Licht, das von dem
LED-Beleuchtungssystem erzeugt wird. Diese Art gepulster Gleichstromversorgung
kann für
andere Elektronik nicht geeignet sein, aber sie kann für die Beleuchtungsapplikationen
ausreichen. Ein Vorteil, wenn Kondensatoren 460 und 470 weggelassen
werden, sind geringere Kosten und eine eventuell verringerte Größe, was
es leichter macht, in den Glühlampenverbinder 110 zu
passen.
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Bei
verschiedenen Ausführungsformen
gibt es unterschiedliche Intensitätsniveaus, aus denen gewählt werden
kann. Bei einigen Ausführungsformen
beispielsweise können
sehr feingranulare Veränderungen
der Intensität
und Farbe vorgenommen werden. Bei weiteren Ausführungsformen mit separater
Steuerung der Intensitätsniveaus
gibt es weniger Niveaus, aus denen gewählt werden kann. Bei einigen
Ausführungsformen sind
die Veränderungen
der Intensität
mehr oder weniger stufenlos, während
es bei anderen Ausführungsformen
relativ wenig mögliche
unterschiedliche Intensitätsniveaus
geben kann, aus denen gewählt
werden kann.
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10 veranschaulicht
ein System, das demjenigen von 4 ähnlich ist,
mit der Ausnahme, dass Stromversorgungsschaltkreis 1000 drei
Schaltregler (oder Schaltumwandler) 1032, 1034 und 1036 für mehrere
Farben (beispielsweise Blau, Grün
und Rot) beinhaltet, und LEDs 240 beinhalten LEDs verschiedener
Farben, beispielsweise blaue LEDs 1062 (1062-1 ... 1062-n),
grüne LEDs 1064 (1064-1 ... 1064-n)
und rote LEDs 1066 (1066-1 ... 1066-n).
Widerstände 1072, 1074 und 1076 können als
Teil der Schaltregler betrachtet werden, sind aber zum Zwecke der
Veranschaulichung getrennt gezeigt. Obwohl nur eine Kette von LEDs
pro Farbe gezeigt ist, kann es mehr als eine parallele Kette für eine Farbe
geben. Die LEDs können
in die Beleuchtungsvorrichtung eingestreut sein oder in der Beleuchtungsvorrichtung
getrennt sein. Es kann zusätzliche
Farben, wie z. B. weiße
LEDs, geben. Vorschaltwiderstände 1052, 1054 und 1056 und
Messwiderstände 1072, 1074 und 1076 ähneln Widerständen 250 und 440 in 4.
Schaltumwandler 1032, 1034 und 1036 können je
Schaltelemente wie Schaltelemente 420 und 425 und
Schaltsteuerschaltkreis 430 und Kondensator 450 von 4 beinhalten,
oder ein wenig anders als in 4 sein.
Sie können
ebenfalls Kondensatoren wie Kondensatoren 460 und 470 beinhalten.
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System 1000 kann
Steuersignale für
Intensität
und Farbe auf Leitern 1042, 1044 und 1046 für blaue, grüne bzw.
rote Farben verwenden. Es ist zu beachten, dass die Gesamtintensität und Gesamtfarbe
der kombinierten LEDs verändert
werden kann, indem die relative Intensität unterschiedlicher Farb-LEDs
verändert wird
oder auch indem bestimmte Farb-LEDs ausgeschaltet werden. Die Gesamtfarbe
kann erhalten bleiben, indem die Intensität aller Farben im gleichen
Maße verändert wird,
oder die Gesamtfarbe kann sich verändern, indem die Intensität unterschiedlicher
Farb-LEDs in unterschiedlichem Maße verändert wird.
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11 zeigt
eine Beleuchtungsvorrichtung 1100 einschließlich einer
Vielzahl an Potentiometer 1150-1, 1150-2 und 1150-3,
die als Widerstand 724 von 7 verwendet
werden können,
um die Intensität unterschiedlicher
LEDs 1120 zu steuern. LEDs 1120 können LEDs 1062, 1064 und 1066 darstellen,
deren Intensität
durch Potentiometer 1150-1, 1150-2 bzw. 1150-3 gesteuert
werden kann. Stromversorgungsschaltkreis 1130 kann sich
hauptsächlich
innerhalb von Glühlampenverbinder 110 befinden,
kann aber einige Schaltkreise, wie z. B. Potentiometer, in Glühlampenverkapselung 140 beinhalten.
Bei weiteren Ausführungsformen gibt
es lediglich ein Potentiometer wie 1150-1, 1150-2 oder 1150-3,
oder zwei Potentiometer oder mehr als drei Potentiometer. Ein Träger (wie
LED-Träger 124)
könnte
in den Vorrichtungen von 11-14 beinhaltet sein
und der Stromversorgungsschaltkreis könnte sich teilweise oder vollständig in
oder auf dem Träger,
wie LED-Träger 124,
befinden.
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12 zeigt
Intensitätssteuerschaltkreis 1210 gekoppelt
mit einer Beleuchtungsvorrichtung 1200 durch Stromleiter 1214.
Beleuchtungsvorrichtung 1200 beinhaltet LEDs 1220,
die eine einzige Farbe oder mehrere Farben von LEDs, wie z. B. LEDs 1062, 1064 und 1066,
beinhalten können.
Wenn lediglich eine einzige Farbe verwendet wird, kann diese einzige
Farbe ein weißer
Farbton oder ein anderer Farbton als Weiß sein. Stromversorgungsschaltkreis 1230 steuert
die Intensität
von LEDs 1220 in Antwort auf Steuersignale, die den Stromsignalen
von Schaltkreis 1210 durch Leiter 1214 überlagert
sind. Extraktionsschaltkreis 1240 entfernt die Intensitätssteuersignale
von dem Stromsignal und stellt dem Schaltregler die Intensitätssteuersignale bereit.
Die Intensitätssteuersignale
können
LEDs einer einzigen Farbe oder LEDs mehrerer Farben steuern. Stromversorgungsschaltkreis 1230 kann
sich vollständig
innerhalb von Glühlampenverbinder 110 befinden oder
er kann sonst wo sein, wie z. B. teilweise innerhalb Verbinder 110 und
teilweise innerhalb Glühlampenverkapselung 140 oder
vollständig
innerhalb Verkapselung 140. Ein internes Intensitätssteuersignal
kann auf ein externes Intensitätssteuersignal
reagieren. Bei einigen Ausführungsformen
beispielsweise kann Extraktionsschaltkreis 1240 das externe
Intensitätssteuersignal
unverändert
weitergeben und bei anderen Ausführungsformen
erzeugt Extraktionsschaltkreis 1240 eine interne Intensitätssteuerung
als Antwort auf das externe Intensitätssteuersignal von Stromleiter 1214,
wobei aber das interne Intensitätssteuersignal
sich ein wenig von dem externen Intensitätssteuersignal unterscheiden
kann. Mehrere interne Intensitätssteuersignale
können auf
ein einzelnes externes Intensitätssteuersignal
oder auf mehrere externe Intensitätssteuersignale reagieren.
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13 zeigt
Intensitätssteuerschaltkreis 1310,
der drahtlos mit einer Beleuchtungsvorrichtung 1300 durch
Transmitter 1342 und Empfänger 1344 gekoppelt
ist. Beleuchtungsvorrichtung 1300 beinhaltet LEDs 1320,
die eine einzige Farbe oder mehrere Farben von LEDs, wie z. B. LEDs 1062, 1064 und 1066,
beinhalten können.
Stromversorgungsschaltkreis 1330 steuert die Intensität von LEDs 1220 in
Antwort auf Steuersignale von Steuerschaltkreis 1310. Die
Intensitätssteuersignale
können
LEDs einer einzigen Farbe oder LEDs mehrerer Farben steuern. Die
Intensitätssteuersignale
können
auf Funkfrequenz (radio frequency, RF) oder Infrarot (IR) oder irgendeiner
anderen Frequenz sein. Verschiedene Arten bekannter drahtloser Signalcodierungstechniken
könnten
verwendet werden, um die Intensität zu steuern. Stromversorgungsschaltkreis 1330 kann
sich vollständig
innerhalb von Glühlampenverbinder 110 befinden
oder er kann sonst wo sein, wie z. B. teilweise innerhalb Verbinder 110 und
teilweise innerhalb Glühlampenverkapselung 140 oder
vollständig
innerhalb Verkapselung 140.
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14 zeigt
eine Beleuchtungsvorrichtung 1400 einschließlich eines
Audiosensors 1444, um Audiosignale zu erkennen und Signale
als Antwort auf Stromversorgungsschaltkreis 1430 bereitzustellen.
Ein Beispiel eines Audiosignals kann Händeklatschen sein. Beleuchtungsvorrichtung 1400 beinhaltet
LEDs 1420, die eine einzige Farbe oder mehrere Farben von
LEDs, wie z. B. LEDs 1062, 1064 und 1066,
beinhalten können. Stromversorgungsschaltkreis 1330 steuert
die Intensität
von LEDs 1220 als Antwort auf Steuersignale von Audiosensor 1444.
Audiosignale können
LEDs einer einzigen Farbe oder LEDs mehrerer Farben steuern. Stromversorgungsschaltkreis 1430 kann
sich vollständig
innerhalb von Glühlampenverbinder 110 befinden
oder er kann sonst wo sein, wie z. B. teilweise innerhalb Verbinder 110 und
teilweise innerhalb Glühlampenverkapselung 140 oder
vollständig
innerhalb Verkapselung 140. Händeklatschen zum Ein- oder
Ausschalten von Licht ist bekannt, obwohl sich die Audiosensoren
physikalisch von der Beleuchtungsvorrichtung entfernt befinden.
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Andere
Arten der Intensitätssteuerung
könnten
verwendet werden. Beispielsweise könnte es einen von dem Stromleiter
getrennten Leiter geben, um Steuersignale an eine Glühlampe zu übertragen.
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15 zeigt
Spule(n) 414 als Teil eines Halbleiterchips 1520 in
einem Gehäuse 1510 in
Stromversorgungsschaltkreis 400. Bei einigen Ausführungsformen
ist Schaltregler 410 (mit der möglichen Ausnahme von Spule(n) 414 wie
erklärt)
in Chip 1520 oder Chip 1620 beinhaltet, die in
Verbindung mit 16 erörtert werden. Spule(n) 414 kann
als Teil von Chip 1520 gefertigt sein oder lediglich auf
Chip 1520 platziert sein.
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16 zeigt
Spule(n) 414 als Teil eines Gehäuses 1610 für einen
Halbleiterchip 1620 in Stromversorgungsschaltkreis 400.
Spule(n) 414 kann als Teil von Gehäuse 1610 (beispielsweise
auf inneren Schichten eines Gehäusesubstrats)
gefertigt sein oder lediglich auf Gehäuse 1610 platziert
sein. Alternativ können
Spule(n) 414 und andere Spulen, wie z. B. 230,
von dem Chip und Gehäuse
getrennt sein. Beispielsweise könnte(n)
die Spule(n) ein Teil von oder auf einer Schaltplatte, wie z. B.
einer Leiterplatte (printed circuit board, PCB), sein.
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Die
relativen Größen von
Objekten, wie sie in den Figuren erscheinen, sollen wirkliche relative
Größen nicht
ausdrücken.
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Bei
einigen Ausführungsformen
ist der empfangene Strom Gleichstrom, sodass Wechselstrom nicht
in Gleichstrom umgewandelt werden muss.
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ZUSÄTZLICHE
INFORMATION UND AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine
Ausführungsform
ist eine Implementierung oder ein Beispiel der Erfindung. Die Bezugnahme
auf „eine
Ausführungsform”, „einige
Ausführungsformen” oder „andere
Ausführungsformen” bedeutet,
dass eine bestimmte Funktion, Struktur oder ein bestimmtes Merkmal,
die/das im Zusammenhang mit den Ausführungsformen beschrieben wird,
in mindestens einigen Ausführungsformen,
aber nicht notwendigerweise allen Ausführungsformen eingeschlossen
ist. Das verschiedenartige Auftreten von „eine Ausführungsform” oder „einige Ausführungsformen” bezieht
sich nicht notwendigerweise auf die gleichen Ausführungsformen.
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Wenn
gesagt wird, dass das Element „A” mit Element „B” gekoppelt
ist, kann Element A direkt mit Element B gekoppelt sein oder indirekt
durch beispielsweise Element C gekoppelt sein.
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Wenn
die Beschreibung oder Ansprüche
besagen, dass eine Komponente, Merkmal, Struktur, Prozess oder Charakteristikum
A eine Komponente, Merkmal, Struktur, Prozess oder Charakteristikum
B „veranlasst”, bedeutet
dies, dass „A” zumindest
eine teilweise Ursache von „B” ist, dass
da aber ebenfalls zumindest eine weitere Komponente, Merkmal, Struktur,
Prozess oder Charakteristikum sein kann, das bei der Ursache von „B” hilft.
Ebenso bedeutet, dass A auf B reagiert nicht, dass es ebenfalls
auf C reagiert.
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Wenn
die Beschreibung besagt, dass eine Komponente, Merkmal, Struktur,
Prozess oder Charakteristikum beinhaltet sein „kann” oder „könnte”, muss diese bestimmte Komponente,
Merkmal, Struktur, Prozess oder Charakteristikum nicht beinhaltet
sein. Wenn sich die Beschreibung oder ein Anspruch auf „ein” Element bezieht,
bedeutet dies nicht, dass nur eines des Elements vorhanden ist.
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Die
Erfindung ist nicht auf die hierin beschriebenen bestimmten Einzelheiten
beschränkt.
In der Tat können
viele weitere Variationen der vorstehenden Beschreibung und Zeichnungen
innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung gemacht werden.
Nur die nachfolgenden Ansprüche
und alle Änderungen
dazu stellen eine genaue Definition des Umfangs der Erfindung dar.