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Die Erfindung betrifft eine Schaltung und ein Verfahren zur Ansteuerung einer Lichtquelle. Weiterhin wird eine Vorrichtung mit einer solchen Schaltung, z. B. ein Betriebsgerät oder ein Projektor, vorgeschlagen.
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Beispielsweise wird bei Projektoren, insbesondere Projektoren mit Halbleiterleuchtelementen (z. B. LEDs), ein Strom zum Betrieb der Leuchtelemente über Digital-Analog-Wandler (auch bezeichnet als D/A-Wandler) vorgegeben bzw. eingestellt. Ein mittels des D/A-Wandlers generierter analoger Wert wird über einen Spannungsteiler als Sollwert zur Ansteuerung eines Halbleiterleuchtelements (z. B. betreffend eine der Farben rot, grün oder blau) verwendet.
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Die Auflösung oder Schrittweite des D/A-Wandlers entspricht einem Maß für die Veränderung des Stroms. So kann der D/A-Wandler Analogwerte in vorgegebenen (äquidistanten) Stufen bereitstellen, wobei der Analogwert einem Strom zur Einstellung des Halbleiterleuchtelements entspricht. Somit ist die Auflösung (eine veränderbare Stufe) des D/A-Wandlers ein Maß dafür, wie fein der Strom durch das Halbleiterleuchtelement einstellbar ist.
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Hierbei ist es von Nachteil, dass bei großen Strömen zur Ansteuerung des Halbleiterleuchtelements (z. B. mehr als 50% des maximalen Stroms) eine Verstellung des D/A-Wandlers um eine einzelne Stufe kaum oder gar nicht wahrnehmbar ist, wohingegen bei geringen Strömen (z. B. weniger als 10% des maximalen Stroms) dieselbe Stufe eine deutlich stärker wahrnehmbare Helligkeitsveränderung des Halbleiterleuchtelements bewirkt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine effiziente Möglichkeit zur Ansteuerung einer Lichtquelle mittels eines D/A-Wandlers anzugeben.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Schaltung zur Ansteuerung einer Lichtquelle angegeben
- – mit einem Spannungsteiler,
- – mit einem Analog-Digital-Wandler, der ausgangsseitig mit dem Spannungsteiler verbunden ist,
- – wobei ein Teiler-Verhältnis des Spannungsteilers einstellbar ist,
- – wobei die Lichtquelle über das Teiler-Verhältnis des Spannungsteilers ansteuerbar ist.
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Bei der Lichtquelle kann es sich um eine einzelne Lichtquelle, um mehrere Lichtquellen, oder um ein Modul mit mindestens einer Lichtquelle handeln. Die Lichtquelle kann z. B. ein Halbleiterleuchtelement, eine Leuchtdiode (LED) oder ein sonstiges Leuchtelement sein.
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Das Teiler-Verhältnis des Spannungsteilers ist insbesondere veränderbar, so dass z. B. durch Veränderung mindestens einer Komponente des Spannungsteilers eine Wertebereichsänderung der von dem D/A-Wandler über den Spannungsteiler bereitgestellten Signale (auch bezeichnet als Sollwerte) erfolgt.
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Damit kann erreicht werden, dass die Auflösung des D/A-Wandlers abhängig von dem Teiler-Verhältnis des Spannungsteilers einstellbar ist. Beispielsweise können die einzelnen digitalen Schritte oder Stufen des D/A-Wandlers in einem ersten Bereich, in dem die Lichtquelle mit einem geringen Strom angesteuert wird, eine geringere Veränderung des Sollwerts bewirken als in einem zweiten Bereich, in dem die Lichtquelle mit einem größeren Strom angesteuert wird und dementsprechend heller leuchtet.
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Durch die Umschaltung der Auflösung ist es möglich, günstige D/A-Wandler einzusetzen und diese abschnittsweise mit unterschiedlichen Spannungsteiler-Beschaltungen zu verbinden.
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Eine Weiterbildung ist es, dass (mindestens) ein elektronischer Schalter vorgesehen ist, anhand dessen das Teiler-Verhältnis des Spannungsteilers einstellbar ist.
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Es sei angemerkt, dass auch mehrere elektronische Schalter vorgesehen sein können.
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Der elektronische Schalter kann ein elektronisch ansteuerbarer Schalter oder ein Bauelement mit einer Schaltfunktion sein. Beispielsweise kann der elektronische Schalter mittels eines Transistors, eines Mosfets, eines Relais, o. ä. realisiert sein.
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Eine andere Weiterbildung ist es, dass der Spannungsteiler mindestens zwei Widerstände aufweist, wobei insbesondere die Lichtquelle über ein Signal, das zwischen zwei in Reihe geschalteten Widerständen anliegt, ansteuerbar ist.
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Hierbei sei angemerkt, dass der Spannungsteiler beliebige Bauelemente aufweisen kann, die eine Aufteilung der Spannung erlauben und anhand derer eine Veränderung des Spannungsteilers möglich ist. Insbesondere können die Widerstände zu- bzw. inaktiv schaltbare ohmsche Widerstände sein.
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Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass das Teiler-Verhältnis des Spannungsteilers einstellbar ist, indem ein weiterer Widerstand in Reihe mit den mindestens zwei Widerständen schaltbar ist.
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Insbesondere ist der weitere Widerstand in Reihe mit den mindestens zwei Widerständen angeordnet und parallel zu dem weiteren Widerstand ist ein Schalter vorgesehen, der bei Bedarf den weiteren Widerstand überbrückt.
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Auch ist es eine Weiterbildung, dass das Teiler-Verhältnis des Spannungsteilers einstellbar ist, indem ein zusätzlicher Widerstand parallel zu einem der mindestens zwei Widerstände schaltbar ist.
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Insbesondere kann der zusätzliche Widerstand in Serie mit einem Schalter parallel zu mindestens einem der zwei Widerstände angeordnet sein. Bei geschlossenem Schalter befindet sich somit der zusätzliche Widerstand in Parallelschaltung mit dem mindestens einem der zwei Widerstände, bei geöffnetem Schalter ist der zusätzliche Widerstand inaktiv.
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Ferner ist es eine Weiterbildung, dass eine Kontrolleinheit vorgesehen ist umfassend den Analog-Digital-Wandler, wobei das Teiler-Verhältnis des Spannungsteilers mittels der Kontrolleinheit ansteuerbar ist.
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Insbesondere kann mittels der Kontrolleinheit der mindestens eine elektronische Schalter angesteuert, d. h. geöffnet oder geschlossen, werden.
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Bei der Kontrolleinheit kann es sich um einen Mikrokontroller, einen Prozessor, o. ä. handeln. Vorzugsweise umfasst die Kontrolleinheit den D/A-Wandler.
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Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung passt die Kontrolleinheit mit einem Umschalten des Teiler-Verhältnisses des Spannungsteilers einen Wertebereich der Eingangsgrößen des Analog-Digital-Wandlers an.
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Durch die Anpassung des Wertebereichs der Eingangsgrößen des A/D-Wandlers kann erreicht werden, dass mit der Veränderung des Spannungsteilers eine fortgesetzte (ununterbrochene) Ansteuerung der Helligkeit der Lichtquelle möglich ist, ohne dass aufgrund der Umschaltung des Teiler-Verhältnisses Helligkeitsschwankungen bei der Lichtquelle auftreten.
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Jeder Zustand des Spannungsteilers entspricht einer Kennlinie des A/D-Wandlers, die dessen digitale Eingangsgrößen gegenüber einem Sollwert für die Ansteuerung der Lichtquelle darstellt. Die Höhe des Sollwerts ist dabei abhängig von dem jeweiligen Zustand des Spannungsteilers. Wird der Spannungsteiler geändert, ändert sich auch die Kennlinie. So ändert sich beispielsweise die Steigung einer Kennlinie, mit der die Lichtquelle von dem A/D-Wandler angesteuert wird. Vorzugsweise erfolgt die Anpassung der Eingangsgrößen des A/D-Wandlers jedoch so, dass die einzelnen Kennlinien mehr oder weniger unmittelbar aneinander grenzen, ohne dass das Umschalten zwischen den Zuständen des Spannungsteilers für einen Betrachter zu wahrnehmbaren Helligkeitsschwankungen der Lichtquelle führt.
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Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass die Kontrolleinheit mit einem Umschalten des Teiler-Verhältnisses des Spannungsteilers einen Wertebereich der Eingangsgrößen des Analog-Digital-Wandlers anhebt oder absenkt.
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Hierdurch kann erreicht werden, dass bei der Umschaltung zwischen Teiler-Verhältnissen keine für einen Benutzer störenden Effekte auftreten.
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Eine Ausgestaltung ist es, dass die Lichtquelle ein Halbleiterleuchtelement oder ein Modul mit mindestens einem Halbleiterleuchtelement umfasst.
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eine Vorrichtung zur Ansteuerung einer Lichtquelle umfassend die Schaltung wie hierin beschrieben.
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Eine Ausführungsform besteht darin, dass die Vorrichtung ein Betriebsberät oder ein Projektor, insbesondere ein LED-Projektor, ist.
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Die oben genannte Aufgabe wird auch gelöst mittels eines Verfahrens zur Ansteuerung einer Lichtquelle,
- – bei dem ein Teiler-Verhältnis eines Spannungsteilers eingestellt wird, wobei der Spannungsteiler mit einem Ausgang eines Analog-Digital-Wandlers verbunden ist,
- – bei dem die Lichtquelle über das Teiler-Verhältnis des Spannungsteilers angesteuert wird.
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Eine Ausgestaltung ist es, dass das Teiler-Verhältnis des Spannungsteilers mittels mindestens eines elektronischen Schalters eingestellt wird, wobei der mindestens eine elektronische Schalter insbesondere von einer Kontrolleinheit angesteuert wird.
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Auch ist es eine Ausgestaltung, dass das Teiler-Verhältnis des Spannungsteilers eingestellt wird, indem ein weiterer Widerstand in Reihe zu mindestens zwei Widerständen geschaltet wird.
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Eine Weiterbildung besteht darin, dass das Teiler-Verhältnis des Spannungsteilers eingestellt wird, indem ein zusätzlicher Widerstand parallel zu einem von mindestens zwei Widerständen geschaltet wird.
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Ergänzend sei angemerkt, dass die sonstigen Ausführungen für das hier beanspruchte Verfahren entsprechend anwendbar sind.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen dargestellt und erläutert.
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Es zeigen:
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l eine beispielhafte Schaltungsanordnung mit einer Kontrolleinheit umfassend einen Mikrokontroller und einen D/A-Wandler, wobei an einem Ausgang der Kontrolleinheit ein Signal bzw. ein analoger Wert des D/A-Wandlers zur Einstellung einer Lichtquelle ausgegeben wird;
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2 eine andere beispielhafte Schaltungsanordnung mit einem seriell (zu- oder ab-)schaltbaren Widerstand;
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3 eine beispielhafte alternative Schaltungsanordnung mit einer Kontrolleinheit umfassend einen Mikrokontroller und einen D/A-Wandler;
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4 schematisch ein Diagramm, das ein normiertes Ausgangssignal des D/A-Wandlers über n einstellbaren digitalen Werten des D/A-Wandlers (beispielhaft skaliert auf 8 Bit) darstellt.
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Es wird ein D/A-Wandler zur Ansteuerung einer Lichtquelle, insbesondere mindestens eines Halbleiterleuchtelements bzw. mindestens einer Leuchtdiode (LED), vorgeschlagen. Die Ansteuerung der Lichtquelle erfolgt, indem ein analoges Ausgangssignal des D/A-Wandlers über einen Spannungsteiler ein Signal (z. B. einen Sollwert) zur Ansteuerung des Halbleiterleuchtelements bereitstellt. Der Spannungsteiler ist dabei veränderbar ausgeführt, so dass durch Veränderung mindestens einer Komponente des Spannungsteilers eine Wertebereichsänderung der von dem D/A-Wandler über den Spannungsteiler bereitgestellten Signale erfolgt.
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Der Spannungsteiler kann beispielsweise mittels mindestens dreier Widerstände realisiert sein, wobei
- – (mindestens) einer der Widerstände in Reihe zu den anderen Widerständen geschaltet werden kann und/oder
- – (mindestens) einer der Widerstände parallel zu mindestens einem der anderen Widerstände geschaltet werden kann.
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Die Schaltfunktion kann z. B. mittels eines elektronischen Schalters, z. B. eines Transistors, eines Mosfets, etc. erfolgen. Der Schalter kann von einer Kontrolleinheit, z. B. einem Mikrokontroller, einem Prozessor, o. ä. angesteuert werden. Vorzugsweise umfasst die Kontrolleinheit den D/A-Wandler bzw. steuert bzw. überwacht die Kontrolleinheit den D/A-Wandler.
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Durch Umschaltung des Wertebereichs (Veränderung des Spannungsteilers) ist es möglich, die Auflösung der von dem D/A-Wandler bereitgestellten Signale (auch bezeichnet als Sollwerte) zu verändern. Damit kann die Lichtquelle bzw. das Halbleiterleuchtelement je nach Schaltzustand mit einer unterschiedlichen Kennlinie bzw. Empfindlichkeit angesteuert werden.
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Vorzugsweise kann die Lichtquelle in einem Leuchtprojektor eingesetzt sein. Der Projektor kann z. B. als ein LED-Projektor ausgeführt sein. Beispielsweise hat der LED-Projektor mindestens drei separate Leuchtdioden (rot, grün und blau), die getrennt ansteuerbar sind. So kann für jede der separat ansteuerbaren Leuchtdioden ein D/A-Wandler vorgesehen sein.
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1 zeigt eine beispielhafte Schaltungsanordnung mit einer Kontrolleinheit 101 umfassend einen Mikrokontroller und einen D/A-Wandler. An einem Ausgang 107 der Kontrolleinheit 101 wird ein Signal bzw. ein analoger Wert des D/A-Wandlers zur Einstellung einer Lichtquelle (z. B. eines Halbleiterleuchtelements) ausgegeben.
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Der Ausgang 107 ist über einen Spannungsteiler umfassend eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 104 mit einem Widerstand 105 mit Massepotential verbunden. An einem Mittenabgriff 108 des Spannungsteilers wird ein Sollwert 102 zur Einstellung des Stroms für das Halbleiterleuchtelement bereitgestellt. Hierbei sei angemerkt, dass dieser Sollwert 102 z. B. über eine Treiberschaltung (nicht dargestellt) zur Ansteuerung des Halbleiterleuchtelements verstärkt werden kann.
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Zwischen dem Mittenabgriff 108 und dem Massepotential ist ein Widerstand 106 in Reihe mit einem elektronischen Schalter 109 angeordnet. Der elektronische Schalter 109 kann über ein Steuersignal 103 aktiviert bzw. deaktiviert werden, wobei das Steuersignal z. B. von der Kontrolleinheit 101 bereitgestellt wird.
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Somit ist es möglich, durch Öffnen bzw. Schließen des Schalters 109 das Teiler-Verhältnis des Spannungsteilers und somit den Wertebereich des Sollwerts 102 zu beeinflussen. In 1 kann der Spannungsteiler umfassend die Widerstände 104 und 105 verändert werden, indem parallel zu dem Widerstand 105 der Widerstand 106 geschaltet wird.
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2 zeigt eine andere beispielhafte Schaltungsanordnung mit einem seriell (zu- oder ab-)schaltbaren Widerstand 206.
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Eine Kontrolleinheit 201 umfasst einen Mikrokontroller und einen D/A-Wandler. An einem Ausgang 207 der Kontrolleinheit 201 wird ein Signal bzw. ein analoger Wert des D/A-Wandlers zur Einstellung einer Lichtquelle (z. B. eines Halbleiterleuchtelements) ausgegeben.
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Der Ausgang 207 ist über einen Spannungsteiler umfassend eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 204 mit einem Widerstand 205 abhängig von einem Schaltzustand eines Schalters 209 entweder direkt mit Massepotential oder über den Widerstand 206 mit Massepotential verbunden. Hierzu ist der Schalter 209 parallel zu dem Widerstand 206 angeordnet und kann über ein Steuersignal 203 aktiviert bzw. deaktiviert werden, wobei das Steuersignal z. B. von der Kontrolleinheit 201 bereitgestellt wird.
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An einem Mittenabgriff 208 zwischen den Widerständen 204 und 205 wird ein Sollwert 202 zur Einstellung des Stroms für das Halbleiterleuchtelement bereitgestellt. Hierbei sei angemerkt, dass dieser Sollwert 202 z. B. über eine Treiberschaltung (nicht dargestellt) zur Ansteuerung des Halbleiterleuchtelements verstärkt werden kann.
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Somit ist es möglich, durch Öffnen bzw. Schließen des Schalters 209 das Teiler-Verhältnis des Spannungsteilers und somit den Wertebereich des Sollwerts 202 zu beeinflussen.
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3 zeigt eine beispielhafte Schaltungsanordnung mit einer Kontrolleinheit 301 umfassend einen Mikrokontroller und einen D/A-Wandler. An einem Ausgang 307 der Kontrolleinheit 301 wird ein Signal bzw. ein analoger Wert des D/A-Wandlers zur Einstellung einer Lichtquelle (z. B. eines Halbleiterleuchtelements) ausgegeben.
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Der Ausgang 307 ist über einen Spannungsteiler umfassend eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 304 mit einem Widerstand 305 mit Massepotential verbunden. An einem Mittenabgriff 308 des Spannungsteilers wird ein Sollwert 302 zur Einstellung des Stroms für das Halbleiterleuchtelement bereitgestellt. Hierbei sei angemerkt, dass dieser Sollwert 302 z. B. über eine Treiberschaltung (nicht dargestellt) zur Ansteuerung des Halbleiterleuchtelements verstärkt werden kann.
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Zwischen dem Mittenabgriff 308 und dem Ausgang 307 ist ein Widerstand 306 in Reihe mit einem elektronischen Schalter 309 angeordnet. Der elektronische Schalter 309 kann über ein Steuersignal 303 aktiviert bzw. deaktiviert werden, wobei das Steuersignal 303 z. B. von der Kontrolleinheit 301 bereitgestellt wird.
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Somit ist es möglich, durch Öffnen bzw. Schließen des Schalters 309 das Teiler-Verhältnis des Spannungsteilers und somit den Wertebereich des Sollwerts 302 zu beeinflussen. In 1 kann der Spannungsteiler umfassend die Widerstände 304 und 305 verändert werden, indem parallel zu dem Widerstand 304 der Widerstand 306 geschaltet wird.
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Entsprechend kann der Spannungsteiler mehrere Bauelemente, z. B. Widerstände umfassen, wobei z. B. parallel oder in Reihe zu jedem der Bauelemente z. B. durch ein zusätzlich zu- oder abschaltbares Bauelement das Teiler-Verhältnis des Spannungsteilers beeinflussbar ist. Auch können mehrere Bauelemente einzeln oder gruppiert (z. B. mit mehreren Schaltern) vorgesehen sein, die nacheinander zu- oder abschaltbar sind, so dass stufenweise das Teiler-Verhältnis z. B. über die Kontrolleinheit einstellbar ist. Insbesondere kann die Umschaltung zwischen Wertebereichen des Sollwerts (also die Zu- oder Abschaltung der Bauelemente des Spannungsteilers) in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal des D/A-Wandlers und/oder einem vorgegebenen Strom für die Lichtquelle erfolgen.
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4 zeigt schematisch ein Diagramm, das ein normiertes Ausgangssignal des D/A-Wandlers über n einstellbaren digitalen Werten des D/A-Wandlers (beispielhaft skaliert auf 8 Bit) darstellt.
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Beispielsweise ist der Schalter 109 in 1 geschlossen, so dass der D/A-Wandler in Verbindung mit dem Spannungsteiler einen Sollwert 102 bereitstellt, der höchstens 25% des maximal möglichen Sollwerts entspricht (also bei einem digitalen Wert von n = 255 beträgt bei geschlossenem Schalter 109 der Sollwert 25% des maximal möglichen Sollwerts, wobei der maximale Sollwert bei geöffnetem Schalter 109 erreicht wird).
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Der Bereich zwischen 0 und 25% der maximalen Ausgangsspannung ist linear anhand der 256 Werte des D/A-Wandlers einstellbar (siehe Kurve 401).
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Erreicht der D/A-Wandler das Ende des einstellbaren Bereichs, d. h. den digitalen Wert n = 255 (in dem beispielhaft genannten Intervall umfassend 256 Werte von 0 bis 255), wird der Schalter 109 in 1 geöffnet. Durch die Veränderung des Spannungsteilers, kann der D/A-Wandler jetzt mittels seiner digitalen Werte n andere analoge Werte einstellen, wobei zwischen zwei digital wählbaren Werten n und n + 1 eine größere Veränderung des Sollwerts liegt als bei geschlossenem Schalter 109.
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Dieser Zusammenhang ist in 4 anhand der Kurve 402 dargestellt. Beispielhaft entspricht der einstellbare digitale Wert n = 64 der normierten Ausgangsspannung des D/A-Wandlers in Höhe von 25% (dies war der maximal erreichbare Wert bei geschlossenem Schalter 109 für n = 255).
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Entsprechend nutzt der D/A-Wandler für die Kurve 402 einen Bereich von n = 64 bis n = 255, um die normierte Ausgangsspannung zwischen 25% und 100% einzustellen.
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Hierbei ist zu erkennen, dass die Kurve 401 und die Kurve 402 jeweils unterschiedliche Steigungen aufweisen. Somit eignet sich die Kurve 401 zur Feineinstellung bei niedrigen Strömen zum Betrieb des Halbleiterleuchtelements und die Kurve 402 eignet sich entsprechend zur Einstellung in einem Bereich, in dem das Halbleiterleuchtelement mit einem hohen Strom betrieben wird und entsprechend zwischen zwei Schritten n und n + 1 des D/A-Wandlers eine größere Stromdifferenz besteht, so dass die Verstellung um einen Schritt vorzugsweise einem wahrnehmbaren Helligkeitsunterschied entspricht.
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Ergänzend sei angemerkt, dass beim Umschalten des Teiler-Verhältnisses des Spannungsteilers vorzugsweise eine Anpassung des digitalen Wertes des D/A-Wandlers derart erfolgt, dass starke bzw. wahrnehmbare Veränderungen des Sollwertes zur Ansteuerung des Halbleiterleuchtelements vermieden werden. Beispielsweise kann eine Absenkung oder eine Anhebung des Wertes n erfolgen mit bzw. kurz vor der Umschaltung zwischen unterschiedlichen Zuständen des Spannungsteilers.
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Durch die Umschaltung des Teiler-Verhältnisses des Spannungsteilers z. B. auf ein Viertel, kann somit für diesen Bereich statt einer 8-Bit Auflösung eine Auflösung von 10-Bit erreicht werden. Noch höhere Auflösung können durch (weitere) Veränderungen des Spannungsteilers, insbesondere durch kaskadiert schaltbare Spannungsteiler erreicht werden.
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Der vorliegende Ansatz hat den Vorteil, dass mit geringen Kosten ein Ausgang eines D/A-Wandlers so beschaltet werden kann, dass eine Auflösung bzw. ein Wertebereich an dem Ausgang des D/A-Wandlers veränderbar ist.
