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Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung für eine Wechselspannungsversorgung mit mindestens zwei Beleuchtungsgruppen, wobei jede Beleuchtungsgruppe einen Gruppeneingang und einen Gruppenausgang und mindestens eine LED aufweist, wobei die mindestens eine LED zwischen dem Gruppeneingang und dem Gruppenausgang angeordnet ist und wobei die Beleuchtungsgruppen in Reihenschaltung miteinander verbunden sind.
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LEDs als Leuchtmittel haben hinsichtlich der Energieeffizienz signifikante Vorteile. So wird im Gegensatz zu thermischen Leuchtmitteln, wie zum Beispiel Glühbirnen etc., bei LEDs ein wesentlich größerer Anteil der elektrischen Energie in sichtbares Licht umgewandelt, sodass der Wirkungsgrad deutlich größer als bei thermischen Lichtmitteln ist.
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Allerdings erfordert die Spannungsversorgung von LEDs einen gewissen Mehraufwand im Vergleich zu den thermischen Leuchtmitteln. Dies liegt nicht zuletzt darin begründet, dass Einzel-LEDs nur eine geringe Lichtleistung aufweisen, sodass üblicherweise eine Vielzahl von LEDs zu einer Beleuchtungsquelle zusammengefasst werden. Bei dem Zusammenfassen ist zum einen sicherzustellen, dass die LEDs mit einer begrenzten Einzelspannung sowie mit einem begrenzten Strom versorgt werden, um diese im Betrieb nicht zu beschädigen.
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Ferner ist es bei Reihenschaltungen von LEDs möglich, dass bei einem Durchbrennen einer LED in der Reihenschaltungen alle LEDs der Reihenschaltung deaktiviert werden. Aus diesem Grund werden LEDs üblicherweise parallel geschaltet, sodass gegebenenfalls LEDs ausfallen können und weitere LEDs betriebsbereit bleiben.
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Die Druckschrift
EP1449408B2 beschreibt eine Schaltungsanordnung für ein LED-Array, wobei LEDs in Reihenschaltung in Strängen geschaltet sind, wobei die Stränge zueinander parallel angeordnet sind. Bei Versagen einer LED in einem Strang fällt zwar der gesamte Strang aus, die anderen Stränge bleiben jedoch unbeeinflusst. In einem Strang kann eine beliebige Anzahl von LEDs in Reihenschaltung miteinander verbunden sein.
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Die
DE 10 2007 041 131 A1 offenbart eine Anordnung zur Ansteuerung von zumindest zwei in Reihenschaltung verbundener Licht emittierender Bauelemente, wobei eine Steuereinheit zur Ansteuerung von Schalteinheiten zur Überbrückung der Licht emittierenden Bauelemente vorgesehen ist.
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Die
EP 1 449 408 B2 offenbart eine Schaltungsanordnung für ein LED-Array mit zwei oder mehr parallel geschalteten LED-Ketten, in denen jeweils zumindest eine LED angeordnet ist, wobei zu jeder LED-Kette jeweils eine Regelungsanordnung zur Regelung einer vorgegebenen Stromverteilung auf die einzelnen LED-Ketten in Serie geschaltet ist.
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Die
WO 2010/013172 A1 offenbart eine Beleuchtungseinrichtung mit mehreren LED-Gruppen, die jeweils mehrere parallel und/oder in serie geschaltete LEDs aufweisen, wobei die Beleuchtungseinrichtung eine Schaltmatrix mit einer Vielzahl an steuerbaren Schaltern zum Schalten der LED-Gruppen aufweist, die Schalter durch eine Steuerung gesteuert werden.
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Die
US 2011/0273102 A1 offenbart eine wechselspannungsbetriebene LED-Beleuchtungseinrichtung mit einer Steuereinheit, die auf der Grundlage eines Steuersignals einzelne LED-Ketten stromlos schalten kann.
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Die
US 2008/0224025 A1 offenbart ein Beleuchtungssystem, bei welchem die Lichtabgabe einzelner Beleuchtungselemente durch eine Steuerschaltung beeinflusst werden kann.
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Die
US 2010/0308738 A1 offenbart ein Beleuchtungssystem mit mehreren in Serie geschalteten LEDs, die jeweils in Abhängigkeit eines Parameters mittels eines Schalters überbrückt werden können.
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Aus Beuth Klaus, Schmusch Wolfgang: Grundschaltungen – Elektronik 3. Vogel Fachbuch, Würzburg, 16. Auflage, 2007 ist eine Stromquelle bekannt, die mit einem Operationsverstärker gesteuert wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungsvorrichtung für eine Wechselspannungsversorgung vorzuschlagen, welche besonders einfach aufgebaut ist und ein Versorgungsnetz kaum mit Störsignalen belastet.
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Diese Aufgabe wird durch eine Beleuchtungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren:
Erfindungsgemäß wird eine Beleuchtungsvorrichtung vorgestellt, welche für eine Wechselspannungsversorgung geeignet und/oder ausgebildet ist. Die Beleuchtungsvorrichtung kann zur Beleuchtung von Räumen, wie zum Beispiel Büros, Fabrikhallen etc., und besonders bevorzugt zur Beleuchtung von Mobilen, im Speziellen von Flugzeugkabinen eingesetzt werden. Insbesondere ist die Beleuchtungsvorrichtung als eine LED-Kette ausgebildet.
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Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst genau oder mindestens zwei Beleuchtungsgruppen, wobei jede Beleuchtungsgruppe einen Gruppeneingang und einen Gruppenausgang aufweist. Zwischen Gruppeneingang und Gruppenausgang ist mindestens eine LED zwischengeschaltet, sodass der Gruppeneingang und der Gruppenausgang über die mindestens eine LED elektrisch leitend verbunden ist. Die mindestens eine LED ist zwischen Gruppeneingang und Gruppenausgang in Durchlassrichtung angeordnet.
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Die mindestens zwei Beleuchtungsgruppen sind insbesondere in Bezug auf eine Teilperiode der Wechselspannungsversorgung in Reihenschaltung miteinander und mit der Wechselspannungsversorgung verbunden. Optional kann vorgesehen sein, dass die Beleuchtungsgruppen in Bezug auf eine andere Teilperiode der Wechselspannungsversorgung über einen anderen Signalweg in Reihenschaltung verbunden sind, sodass für die Versorgung der Beleuchtungsgruppen während einer ersten Teilperiode der Wechselspannungsversorgung eine erste Reihenschaltung und während der anderen Teilperiode der Wechselspannungsversorgung eine andere Reihenschaltung belegt ist.
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Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass jede der mindestens zwei Beleuchtungsgruppen eine Bypasseinrichtung umfasst, wobei die Bypasseinrichtung einen schaltbaren Bypass aufweist. Der Bypass verläuft signaltechnisch parallel zu allen LEDs der Beleuchtungsgruppe und verbindet den Gruppeneingang mit dem Gruppenausgang. Die Bypasseinrichtung ist ausgebildet, bei einer anliegenden Spannung an der Beleuchtungsgruppe kleiner als eine vorgebbare Grenzspannung den Bypass aktiv zu schalten und bei einer anliegenden Spannung größer als die Grenzspannung den Bypass inaktiv zu schalten.
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Erfindungsgemäß umfasst die Beleuchtungsvorrichtung zumindest eine Konstantstromquelle, die in Reihe mit den mindestens zwei Beleuchtungsgruppen und mit der Wechselspannungsversorgung geschaltet ist, wobei die Versorgungsspannung zur Synchronisation mit der Wechselspannungsversorgung an einen Steuereingang der zumindest einen Konstantstromquelle geführt ist, wobei die Konstantstromquelle einen Operationsverstärker umfasst, an welchem der Steuereingang ausgebildet ist.
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Der Operationsverstärker kann insbesondere zur Steuerung eines Transistors, insbesondere eines MOSFET, der Konstantstromquelle verwendet werden, wobei ein Ausgang des Operationsverstärkers an die Steuerelektrode (Gate) des Transistors geführt ist, und wobei der Transistor über Quelle (Source) und Abfluss (drain) in Reihe zu einer Beleuchtungsgruppe geschaltet ist.
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Betrachtet man beispielsweise ein Ansteigen des Spannungswertes bei einer Versorgungsspannung, die auf Basis der Wechselspannungsversorgung erzeugt ist, so ist bei einer Nullspannung zunächst der Bypass aktiviert. Bei einem Ansteigen der Versorgungsspannung unterhalb der Grenzspannung wird der Strom über den Bypass an der mindestens einen LED oder allen LEDs vorbeigeleitet. Erst bei dem Überschreiten der Grenzspannung wird der Bypass inaktiv geschalten, sodass dieser sperrt, sodass der Strom über die mindestens eine LED geleitet wird. Betrachtet man nun eine Reihenschaltung von mindestens zwei Beleuchtungsgruppen, so wird bei einem langsamen Ansteigen der Versorgungsspannung bei Überschreiten der Grenzspannung zunächst die mindestens eine LED der ersten Beleuchtungsgruppe aktiviert. Dadurch verringert sich jedoch am Gruppenausgang der ersten Beleuchtungsgruppe der Spannungswert, sodass die an der nachfolgenden Beleuchtungsgruppe anliegende Spannung wieder kleiner als die Grenzspannung ist. Erst wenn die Versorgungsspannung so weit angestiegen ist, dass die an der zweiten Beleuchtungsgruppe anliegende Spannung größer als die Grenzspannung ist, wird der Bypass der zweiten Beleuchtungsgruppe inaktiv geschalten und die mindestens eine LED der zweiten Beleuchtungsgruppe mit Strom versorgt und dadurch aktiviert.
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Die in der Reihenschaltung aufeinanderfolgenden Beleuchtungsgruppen werden somit nacheinander mit Ansteigen der Versorgungsspannung aktiviert. Sobald die Versorgungsspannung ihren Scheitelwert erreicht hat und wieder abnimmt, werden die Beleuchtungsgruppen in umgekehrter Reihenfolge durch Aktivierung der schaltbaren Bypässe wieder deaktiviert.
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Der Vorteil dieser einfachen Schaltungsstruktur ist darin zu sehen, dass stets nur so viel Beleuchtungsgruppen aktiviert werden, wie die aktuell anliegende Versorgungsspannung erlaubt. Zudem ist eine Gleichrichtung der Wechselspannung von der Wechselspannungsversorgung ausreichend, da an die Wellenform der Versorgungsspannung keine Anforderungen gestellt werden.
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In einer konkreten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Beleuchtungsgruppe eine Mehrzahl von mindestens zwei LEDs in einer Reihenschaltung angeordnet sind.
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In einer möglichen, schaltungstechnischen Umsetzung der Erfindung umfasst die Bypasseinrichtung einen Metall-Oxyd-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), wobei der Bypass über die Quelle (Source) und den Abfluss (drain) des MOSFET läuft, wobei an der Steuerelektrode (Gate) des MOSFET eine Hilfsspannung anliegt, die die Grenzspannung definiert. Es ist auch möglich, statt des MOSFET einen bipolaren Transistor oder einen anderen Schalter einzusetzen. Die schaltungstechnische Ausgestaltung stellt sicher, dass die Funktion des Zu- und Abschalten des Bypass der Bypasseinrichtung sicher, zuverlässig und kostengünstig umgesetzt ist. Vorzugsweise sind der Abfluss des MOSFET mit dem Gruppeneingang und die Quelle über eine Diode mit dem Gruppenausgang einer Beleuchtungsgruppe verbunden, wobei weiter bevorzugt die Steuerelektrode des MOSFET über einen Widerstand mit der Quelle des MOSFET gekoppelt ist.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Durchlassrichtung der Diode parallel zu der Durchlassrichtung der mindestens einen LED in der Beleuchtungsgruppe. Durch die Diode wird sichergestellt, dass der Stromfluss bei aktiviertem Bypass an der mindestens einen LED vorbeigeleitet werden kann und bei deaktiviertem Bypass Störungen durch am Gruppenausgang anliegenden Spannungen des MOSFET vermieden sind. Die Verwendung einer Konstantstromquelle als strombegrenzende Einrichtung hat den Vorteil, dass zum einen die Stromversorgung der LEDs in den Beleuchtungsgruppen stets sichergestellt ist und zum anderen, dass die Beleuchtungsvorrichtung dimmbar ausgebildet ist.
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Die Konstantstromquelle ist ausgebildet, einen Strom in Abhängigkeit der Versorgungsspannung zur Synchronisation mit der Wechselspannungsversorgung zu liefern. Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, dass der benötigte Strom abhängig von der Anzahl der aktivierten Beleuchtungsgruppen ist. Bei einer niedrigen Versorgungsspannung ist die Anzahl der aktivierten Beleuchtungsgruppen und damit der Strombedarf ebenfalls niedrig. Beispielsweise kann der Strom proportional zu der Versorgungsspannung gewählt sein. Insbesondere in dieser Ausgestaltung verhält sich die Beleuchtungsvorrichtung wie eine Ohmsche Last und belastet das Versorgungsnetz nicht mit Störsignalen.
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Bei einer bevorzugten Realisierung der Erfindung umfasst die Beleuchtungsvorrichtung die Wechselspannungsversorgung, wobei diese als eine Spannungsquelle, insbesondere Netzspannungsquelle, mit einer Spannung mit einem Effektivwert zwischen 100 V und 400 V und von zum Beispiel 115 Volt oder 230 Volt ausgebildet ist. Bei 230 Volt Netzspannung liegt die Anzahl der zu verwendenden LEDs in den verschiedenen Beleuchtungsgruppen bei 80 Stück. Bevorzugt hat die Wechselspannungsquelle eine Frequenz größer als 10 Hz, insbesondere größer als 30 Hz, z. B. von 50 Hz oder 60 Hz oder sogar zwischen 50 Hz und 1000 Hz.
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Es ist allgemein bevorzugt, dass die Beleuchtungsvorrichtung einen Gleichrichter zur Erzeugung einer gleichgerichteten Versorgungsspannung aufweist. Bei einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Beleuchtungsvorrichtungen einen Brückengleichrichter zum Gleichrichten der Spannung der Wechselspannungsquelle, wobei die dabei geformte Versorgungsspannung für die Beleuchtungsgruppen als eine umgeklappte Wechselspannung ausgebildet ist. In dieser Ausgestaltung werden somit bei der ersten Halbwelle nacheinander die Bypässe in den Beleuchtungsgruppen deaktiviert und zugleich nacheinander die LEDs mit Strom versorgt, sodass diese das Leuchten anfangen. Nach dem Scheitelwert der ersten Halbwelle nimmt die Versorgungsspannung wieder ab, die LEDs der Beleuchtungsgruppen werden in umgekehrter Reihenfolge nach und nach stromlos gesetzt. In der zweiten Halbwelle wird der Vorgang wiederholt. Nachdem die Frequenz einer typischen Netzspannungsquelle 60 Hertz ist und durch das Umklappen der Wechselspannung die doppelte Frequenz erzeugt wird, werden die Beleuchtungsgruppen, insbesondere die LEDs der Beleuchtungsgruppen, mit einer Frequenz von z. B. 120 Hertz aktiviert und deaktiviert, was zum Beispiel ein ermüdungsfreies Arbeiten mit der Beleuchtungsvorrichtung für den Menschen bedeutet.
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Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Beleuchtungsvorrichtung einen ersten und einen zweiten Einweggleichrichter, welche an den Ausgängen der Wechselspannungsversorgung angeordnet sind. Beispielsweise sind die Einweggleichrichter als Dioden, insbesondere Gleichrichterdioden ausgebildet. Der erste Einweggleichrichter ist mit dem Gruppeneingang einer ersten Beleuchtungsgruppe und der zweite Einweggleichrichter mit dem Gruppeneingang einer zweiten Beleuchtungsgruppe gekoppelt. Der Gruppenausgang der ersten Beleuchtungsgruppe ist über eine erste Entkopplungsdiode, insbesondere Gleichrichterdiode, mit dem Gruppeneingang der zweiten Beleuchtungsgruppe und der Gruppenausgang der zweiten Beleuchtungsgruppe über eine zweite Entkopplungsdiode insbesondere Gleichrichterdiode, mit dem Gruppeneingang der ersten Beleuchtungsgruppe verbunden.
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Im Betrieb werden bei dieser Ausgestaltung in Abhängigkeit der Phasenlage der Wechselspannungsquelle unterschiedliche Signalwege verwendet: Wird in einer ersten Teilperiode der erste Einweggleichrichter in Durchlassrichtung angesteuert, so wird die anliegende Versorgungsspannung über die erste Beleuchtungsgruppe, die erste Entkopplungsdiode in Durchlassrichtung zu der zweiten Beleuchtungsgruppe geführt, sodass die beiden Beleuchtungsgruppen wieder in Reihenschaltung gekoppelt sind. In der nächsten Teilperiode, ist der erste Einweggleichrichter in Sperrrichtung, der zweite Einweggleichrichter dagegen in Durchlassrichtung. In dieser Teilperiode wird die Versorgungsspannung über den zweiten Einweggleichrichter zu der zweiten Beleuchtungsgruppe, über die zweite Entkopplungsdiode in Durchlassrichtung zu der ersten Beleuchtungsgruppe geführt, sodass zweite und erste Beleuchtungsgruppe in Reihenschaltung angeordnet sind. Je nach Phasenlage wird somit die Anschalt- und die Ausschaltreihenfolge der Beleuchtungsgruppen geändert.
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Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Ein- und Ausschaltzeiten der LEDs der beiden Beleuchtungsgruppen über die Zeit gemittelt jeweils gleich sind.
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Bei einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung ist vorgesehen, dass zwei strombegrenzende Einrichtungen vorgesehen sind, welche bevorzugt als Konstantstromquellen ausgebildet sind und welche in Abhängigkeit der Phasenlage der Wechselspannungsversorgung aktiviert werden.
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Bei einer Ausgestaltung sind die strombegrenzenden Einrichtungen als erste und zweite Konstantstromquellen ausgebildet, wobei ein Gruppenausgang einer ersten Beleuchtungsgruppe einerseits mit der zweiten Konstantstromquelle und andererseits über eine in Durchlassrichtung geschaltete Entkopplungsdiode mit einer zweiten Beleuchtungsgruppe verbunden ist, und wobei ein Gruppenausgang der zweiten Beleuchtungsgruppe mit der ersten Konstantstromquelle verbunden ist.
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In einer noch weiteren Ausgestaltung ist eine erste Versorgungsspannung des ersten Einweggleichrichters mit einem Steuereingang der ersten Konstantstromquelle verbunden, wobei eine zweite Versorgungsspannung des zweiten Einweggleichrichters mit einem Steuereingang der zweiten Konstantstromquelle verbunden ist.
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Bei einer möglichen Weiterbildung der Ausgestaltung mit zwei strombegrenzenden Einrichtungen sind in jeder Reihenschaltung nicht genau zwei Beleuchtungsgruppen sondern eine beliebige Anzahl von Beleuchtungsgruppen vorgesehen. Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst hierbei eine Kette mit mindestens zwei der Beleuchtungsgruppen, die nachfolgend als Kettenglieder bezeichnet werden. Der erste Einweggleichrichter ist wie zuvor mit dem Gruppeneingang (6) einer ersten Beleuchtungsgruppe als erstes Kettenglied der Kette und der zweite Einweggleichrichter mit dem Gruppeneingang einer letzten Beleuchtungsgruppe als letztes Kettenglied der Kette gekoppelt ist. Zwischen dem ersten und den letzten Kettenglied können beliebig viele andere Kettenglieder angeordnet sein. Der Gruppenausgang der Kettenglieder ist jeweils über eine erste Entkopplungsdiode mit dem Gruppeneingang des nachfolgenden Kettenglieds in Reihenschaltung gekoppelt. So ist der Gruppenausgang des ersten Kettenglieds mit dem Gruppeneingang des zweiten Kettenglieds oder allgemein gesprochen der Gruppenausgang des n-ten Kettenglieds mit dem Gruppeneingang des n + 1-ten Kettenglieds über eine erste Entkopplungsdiode verbunden. Diese Kopplung bildet eine Reihenschaltung von Beleuchtungsgruppen, die in der ersten Teilperiode nacheinander aktiviert werden.
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Der Gruppenausgang der Kettenglieder ist jeweils über eine zweite Entkopplungsdiode mit dem Gruppeneingang des vorhergehenden Kettenglieds in Reihenschaltung gekoppelt ist. So ist der Gruppenausgang der letzten Beleuchtungsgruppe mit dem Gruppeneingang der vorletzten Beleuchtungsgruppe über die zweite Entkopplungsdiode oder allgemein gesprochen der Gruppenausgang des n-ten Kettenglieds mit dem Gruppeneingang des n – 1-ten Kettenglieds über eine zweite Entkopplungsdiode verbunden. Diese Kopplung bildet eine Reihenschaltung von Beleuchtungsgruppen, die in der zweiten Teilperiode nacheinander aktiviert werden.
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Bei einer möglichen Weiterbildung der Erfindung sind die erste und/oder oder die letzte Beleuchtungsgruppe in mindestens zwei Unterbeleuchtungsgruppen aufgeteilt, welche jeweils eine Bypasseinrichtung aufweisen. Durch die Unterteilung der ersten und/oder der letzen Beleuchtungsgruppe in Unterbeleuchtungsgruppen kann die Beleuchtungsvorrichtung auf unterschiedliche Scheitelwerte der Versorgungsspannung eingestellt werden. So wird bei einem Unterschreiten des Soll-Scheitelwerts nicht die letzte Beleuchtungsgruppe der Reihenschaltung, sondern ggf. nur die letzte Unterbeleuchtungsgruppe der letzten Beleuchtungsgruppe nicht aktiviert. Diese filigrane Unterteilung unterstützt einen energieeffizienten Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung.
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Bei einer möglichen konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung sind LEDs verschiedener Beleuchtungsgruppen in einer gemeinsamen Gruppe angeordnet, sodass etwaige Unterschiede bei den Beleuchtungszeiten der unterschiedlichen Beleuchtungsgruppen miteinander gemischt werden.
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Die beschriebene Beleuchtungsvorrichtung weist eine Vielzahl von Vorteilen auf: Zum einen handelt es sich um eine besonders einfache und damit leichte Umsetzung einer LED-Beleuchtung, welche effizient im Betrieb und günstig in der Herstellung ist. Bei der Realisierung wurde festgestellt, dass im Betrieb keine Störspitzen auftreten, sodass zum Beispiel auf eine Funkenentstörung verzichtet werden kann.
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Die Schaltung verhält sich vorteilhafterweise wie eine Ohmsche Last, sodass der Strom stets in Phase mit der Spannung ist, was den Betrieb weiter vereinfacht. Ein weiterer Vorteil ist bei Spannungsschwankungen zu sehen, da bei einer verringerten Maximalspannung der Wechselspannungsversorgung nur ein Teil der Beleuchtungsgruppen nicht aktiviert werden, sodass auch bei kritischer Spannungsversorgung eine Grundbeleuchtung erhalten bleibt.
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Bei einem Defekt einer einzelnen LED in einer Beleuchtungsgruppe ist nicht sofort die gesamte Beleuchtungsvorrichtung betroffen, da die LEDs in der betroffenen Gruppe über den Bypass überbrückt werden.
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Bei möglichen Weiterbildungen wird Strom durch die Konstantstromquelle bzw. -quellen in Abhängigkeit der Eingangsspannung, insbesondere der Netzspannung, der Wechselspannungsversorgung insbesondere in Hinblick auf die Phase und die Wellenform geformt. Insbesondere sind Strom und Eingangsspannung gleichphasig und weisen die gleiche Wellenform auf. Hierdurch wird erreicht, dass der Strom und die Eingangsspannung in Phase sind, so dass sich die Beleuchtungsvorrichtung vorteilhafterweise wie eine Ohmsche Last verhält. Die Eingangsspannung oder eine abgeleitete Steuerspannung wird hierzu als Steuersignal in die Konstantstromquelle(n) geführt. Durch Änderung eines Streckungsfaktors kann das Steuersignal gestaucht oder gestreckt werden, wobei durch den Streckungsfaktor eine Dimmung der LEDs umgesetzt werden kann.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung sowie den beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
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1 ein schematische Schaltdiagramm einer Beleuchtungsvorrichtung als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung der Verteilung der LEDS der Beleuchtungsvorrichtung in der 1;
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3 ein schematisches Schaltdiagramm einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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4 ein schematisches Schaltdiagramm einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
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Die 1 zeigt in einer schematischen Blockdarstellung eine Beleuchtungsvorrichtung 1 als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Darstellung ist aus dem Programm LTspice IV der Linear Technology Corporation, wobei die Beschreibung der grafischen Symbole – soweit nicht selbsterklärend – der Programmbeschreibung entnommen werden kann, die über Referenzierung in die vorliegende Offenbarung übernommen wird. Die weiteren Bezeichnungen in der Blockdarstellung verweisen auf Komponenten der Beleuchtungsvorrichtung und sind als beispielhafte Bestückungen zu verstehen. Die Beleuchtungsvorrichtung 1 kann als Beleuchtung in Gebäuden oder in Mobilen, insbesondere in einem Flugzeug, eingesetzt werden.
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Die Beleuchtungsvorrichtung 1 umfasst eine Wechselspannungsversorgung 2, eine Gleichrichtereinrichtung 3, eine Mehrzahl von Beleuchtungsgruppen 4.1 bis 4.8 sowie eine Konstantstromquelle 5. Ausgehend von der Wechselspannungsversorgung 2 über die Gleichrichtereinrichtung 3 sind alle Beleuchtungsgruppen 4 und die Konstantstromquelle 5 in Reihe geschaltet.
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Die Wechselspannungsversorgung 2 stellt eine sinusförmige Wechselspannung beispielsweise mit einem Effektivwert von 115 Volt bereit. Auch andere Effektivwerte, wie z. B. 230 Volt, sind möglich. Die Frequenz der Wechselspannung beträgt 400 Hertz.
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Der Wechselspannungsversorgung 2 ist die Gleichrichtereinrichtung 3 nachgeschaltet, die als ein Brückengleichrichter ausgebildet ist und eine Vollweggleichrichtung durchführt. Die sinusförmige Wechselspannung wird in eine pulsierende Gleichspannung als Versorgungsspannung Vzk in Form einer hochgeklappten Sinuskurve gewandelt. In jeder Periode der sinusförmigen Wechselspannung der Wechselspannungsversorgung 2 sind somit nach der Gleichrichtereinrichtung 3 zwei Bögen in der Wellenform der Versorgungsspannung Vzk vorgesehen, die jeweils von einer Nullspannung über einen Scheitelwert wieder zur Nullspannung verlaufen. Statt einer sinusförmigen Wechselspannung kann beispielsweise auch eine Dreiecksspannung verwendet werden. In der Gleichrichtereinrichtung 3 sind zwei Brückenarme vorgesehen, in denen jeweils eine Diode D1, D2 in Durchlassrichtung angeordnet sind. Als Dioden D1, D2 wird beispielsweise eine MURS120 eingesetzt. Jeder Brückenzweig ist zudem über eine Diode D3 bzw. D4 der gleichen Bauart, jedoch in Sperrrichtung angeordnet, mit Masse verbunden. Beide Brückenzweige sind ferner über einen Kondensator C1 mit einer Kapazität von 10 nF verbunden.
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Jede der Beleuchtungsgruppe 4.1 bis 4.8 weist einen Gruppeneingang 6 und einen Gruppenausgang 7 auf. Die Bezugszeichen sind bei den Beleuchtungsgruppen 4.7 und 4.8 entfernt, um die Schaltung besser erkennen zu können. Zwischen Gruppeneingang 6 und Gruppenausgang 7 sind eine Mehrzahl von Leuchtdioden 8 (LEDs) in Reihenschaltung angeordnet. Die Leuchtdioden 8 der ersten Beleuchtungsgruppe 4.1 sind mit D1x, die der zweiten Beleuchtungsgruppe 4.2 mit D2x etc. bezeichnet. Die Leuchtdioden 8 sind von Gruppeneingang 6 zu Gruppenausgang 7 in Durchlassrichtung orientiert.
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Zudem umfasst jede Beleuchtungsgruppe 4.1 bis 4.8 eine Bypasseinrichtung 9, welche einen schaltbaren Bypass 10 aufweist, dessen eines Ende mit dem Gruppeneingang 6 und dessen anderes Ende mit dem Gruppenausgang 7 verbunden ist. Die Bypasseinrichtung 9 umfasst einen MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, NMOS) 11, wobei dessen Abfluss (drain) mit dem Gruppeneingang 6 und dessen Quelle (source) über eine weitere Diode 12 mit dem Gruppenausgang 7 verbunden sind. Die Diode 12 ist ebenfalls beispielsweise vom Typ MURS120 und signaltechnisch parallel zu den Leuchtdioden 8 angeordnet. An der Steuerelektrode des MOSFET 11 liegt über einen Widerstand 13 (R10 ... R80 = 1 KOhm) eine Hilfsspannung vh von +15 Volt an. Über einen zweiten Widerstand 14 (R11 ... R81 = 10 KOhm) ist die Steuerelektrode des MOSFET 11 mit der Quelle (source) des MOSFET 11 gekoppelt.
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Der Gruppenausgang 7 der ersten Beleuchtungsgruppe 4.1 ist mit dem Gruppeneingang 6 der zweiten Beleuchtungsgruppe 4.2 unmittelbar verbunden. Die weiteren Beleuchtungsgruppen 4.3–4.8 schließen sich in gleicher Weise in Reihe an. Die Beleuchtungsgruppen 4.1 ... 4.8 sind jeweils baugleich ausgeführt.
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Die letzte Beleuchtungsgruppe 4.8 der Beleuchtungsvorrichtung 1 ist mit ihrem Gruppenausgang 7 mit einem Eingang vd der Konstantstromquelle 5 verbunden, wobei die Konstantstromquelle 5 sicherstellt, dass ein ausreichender konstanter Strom in der Beleuchtungsvorrichtung 1 vorhanden ist. Zur Steuerung der Konstantstromquelle 5 ist ein Steuereingang der Konstantstromquelle 5 mit der Versorgungsspannung Vkz verbunden, die als Steuerspannung arbeitet. Auf diese Weise wird der konstante Strom stets der Versorgungsspannung Vkz bzw. dem zeitlichen Verlauf der Versorgungsspannung Vkz nachgeführt.
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Die Funktionsweise der Beleuchtungsvorrichtung 1 ist wie folgt: Ohne anliegende Versorgungsspannung Vzk sind die MOSFETs 11 auf Durchlass geschaltet, so dass in jeder der Beleuchtungsgruppen 4.1 bis 4.8 der Bypass 10 aktiv ist und die Leuchtdioden 8 überbrückt sind. Sobald die Versorgungsspannung Vzk gemäß ihrer Wellenform zu steigen beginnt, erhöht sich die Spannung in dem Bypass 10 in der ersten Beleuchtungsgruppe 4.1. Wenn die in dem Bypass 10 anliegende Spannung höher als eine Grenzspannung ist, wobei die Grenzspannung über die Hilfsspannung vh und den nachgeschalteten Widerstand 13 definiert ist, sperrt der MOSFET 11, so dass der Bypass 10 inaktiv geschalten wird. Der Strom wird dann über die Leuchtdioden 8 der ersten Beleuchtungsgruppe 4.1 geführt, so dass diese leuchten.
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Steigt die Versorgungsspannung Vzk weiter, so liegt an der zweiten Beleuchtungsgruppe 4.2 eine Spannung an, die der Versorgungsspannung Vzk abzüglich des Spannungsabfalls der LEDs 8 der ersten Beleuchtungsgruppe 4.1 entspricht. Mit weiterem Ansteigen der Versorgungsspannung Vzk, erhöht sich auch die an dem Gruppeneingang 6 der zweiten Beleuchtungsgruppe anliegende Spannung, wobei zunächst noch der Bypass 10 aktiv ist. Übersteigt die an dem MOSFET 11 der zweiten Beleuchtungsgruppe 4.2 anliegende Spannung den Grenzwert, der in analoger Weise wie bei der Beleuchtungsgruppe 4.1 definiert ist, so wird auch dieser Bypass 10 inaktiv geschaltet, so dass der Strom über die LEDs 8 der zweiten Beleuchtungsgruppe 4.2 fließen muss. Die weiteren Beleuchtungsgruppen 4.3–4.8 folgen nach dem gleichen Muster, so dass bei einer ansteigenden Wellenform der Versorgungsspannung Vzk die Beleuchtungsgruppen 4.1–4.8 nacheinander angeschaltet werden. Nach dem Überschreiten des Scheitelwerts des Bogens der Versorgungsspannung Vzk erfolgt eine Abschaltung der Beleuchtungsgruppen 4.1–4.8, jedoch in umgekehrter Reihenfolge 4.8–4.1, so dass zunächst die letzte Beleuchtungsgruppe 4.8 abgeschaltet wird.
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Dadurch, dass die Versorgungsspannung Vzk die Steuerspannung für die Konstantstromquelle 5 bildet, stellt diese stets den zu der Anzahl der leuchtenden LEDs 8 passenden Strom bereit.
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Aufgrund des Umstands, dass die LEDs 8 der Beleuchtungsgruppen 4.1–4.8 nach und nach angeschaltet und in umgekehrter Reihenfolge 4.8–4.1 wieder abgeschaltet werden, sind die Stromflussdauern der Beleuchtungsgruppen 4.1–4.8 unterschiedlich, so dass auch die Helligkeit der LEDs 8 der unterschiedlichen Beleuchtungsgruppen 4.1–4.8 unterschiedlich ist.
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Die 2 zeigt eine mögliche Anordnung der LEDs 8, wobei die LEDs 8 der verschiedenen Beleuchtungsgruppen 4.1–4.8 in der geometrischen Anordnung gemischt sind, so dass neue Gruppen A, B, C, D ... gebildet werden, wobei in jeder Gruppe A, B, C, D ... LEDs 8 von unterschiedlichen Beleuchtungsgruppen 4.1–4.8 angeordnet sind. Die Bezeichnungen der LEDs 8 beziehen sich auf die Darstellung in der 1. Somit bezieht sich die Bezeichnung 1.1 auf die LED 8 in der ersten Beleuchtungsgruppe 4.1 an der ersten Position. Jede der Gruppen A, B, C, D ... weist durch die Mischung eine gleiche Lichtcharakteristik auf.
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Die 3 zeigt ein weiteres schematisches Blockdiagramm einer Schaltung einer Beleuchtungsvorrichtung 1 in gleicher Darstellung wie in der 1 als ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Beleuchtungseinrichtung 1 umfasst wieder die Wechselspannungsversorgung 2, welche jedoch in diesem Beispiel über zwei Einweggleichrichter 15a, b geleitet wird, welche jeweils eine Diode D1 und D2 umfassen, die in Durchlassrichtung zu der Wechselspannungsversorgung 2 orientiert sind. In jedem Einweggleichrichter 15a, b sind Abzweigungen über Dioden D3 bzw. D4 vorgesehen, die jedoch in Sperrrichtung geschalten sind. Eine weitere Abzweigung in jedem Einweggleichrichter 15a, b mit einer Diode D5 bzw. D6 in Durchlassrichtung stellt eine Versorgungsspannung Va bzw. Vb bereit.
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Am Ausgang der Einweggleichrichter 15a, b liegt nach einer Halbweggleichrichtung jeweils eine Kurvenform mit sinusförmigen Bögen oder Halbwellen vor, wobei die Bögen jeweils eine halbe Periode der Sinusspannung der Wechselspannungsversorgung 2 einnehmen und sich abwechseln. Somit ist in einer ersten Teilperiode der Wechselspannungsversorgung 2 die Versorgungsspannung Vb gleich 0, wohingegen die Versorgungsspannung Va hinsichtlich der Kurvenform einen ersten Bogen durchläuft. In einer zweiten Teilperiode der Wechselspannungsversorgung 2 ist die Versorgungsspannung Va gleich 0 und die Versorgungsspannung Vb durchläuft einen Bogen.
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Ausgehend von dem ersten Einweggleichrichter 15a liegt die Versorgungsspannung Va zunächst an dem Gruppeneingang 6 einer ersten Beleuchtungsgruppe 4a an, die analog zu den Beleuchtungsgruppen 4.1–4.8 in der 1 ausgebildet ist, so dass auf die vorhergehende Beschreibung verwiesen wird. An dem Gruppenausgang 7 der ersten Beleuchtungsgruppe 4a ist zum einen eine Verbindung zu einer zweiten Beleuchtungsgruppe 4b und zum zweiten zu einer zweiten Konstantstromquelle 5b vorgesehen. Diese zweite Konstantstromquelle 5b bekommt als Steuerspannung die Versorgungsspannung Vb. Die Verbindung zu der zweiten Beleuchtungsgruppe 4b erfolgt über eine erste Entkopplungsdiode 16, die in Durchlassrichtung geschaltet ist. An dem Gruppenausgang 7 der zweiten Beleuchtungsgruppe 4b ist eine erste Konstantstromquelle 5a angeordnet ist, die über die Versorgungsspannung Va gesteuert wird.
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Ausgehend von dem zweiten Einweggleichrichter 15b liegt die Versorgungsspannung Vb zunächst an dem Gruppeneingang 6 der zweiten Beleuchtungsgruppe 4b an. An dem Gruppenausgang 7 der zweiten Beleuchtungsgruppe 4a ist zum einen eine Verbindung zu der ersten Beleuchtungsgruppe 4a und zum zweiten zu der ersten Konstantstromquelle 5a vorgesehen. Die Verbindung zu der ersten Beleuchtungsgruppe 4a erfolgt über eine zweite Entkopplungsdiode 17, die in Durchlassrichtung geschaltet ist. An dem Gruppenausgang 7 der ersten Beleuchtungsgruppe 4a ist die zweite Konstantstromquelle 5b angeordnet.
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Bei der Beschreibung der Funktion wird zwischen den Teilperioden der Wechselspannungsversorgung 2 unterschieden.
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In der ersten Teilperiode der Wechselspannungsversorgung 2 ist die Versorgungsspannung Vb gleich 0, wohingegen die Versorgungsspannung Va hinsichtlich der Kurvenform einen ersten Bogen durchläuft. In Bezug auf den Stromfluss sind Einweggleichrichter 15a, erste Beleuchtungsgruppe 4a, zweite Beleuchtungsgruppe 4b und Konstantstromquelle 5a in Reihe geschaltet. Bei einem Anwachsen der Versorgungsspannung Va von dem Einweggleichtrichter 15a wird somit zunächst die erste Beleuchtungsgruppe 4a und nachfolgend die zweite Beleuchtungsgruppe 4b angeschaltet. Nach dem Scheitelwert werden die Beleuchtungsgruppen 4a,b in umgekehrter Reihenfolge wieder deaktiviert.
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In der zweiten Teilperiode ist die Spannung des Einweggleichrichters 15a gleich 0 V, wohingegen die Versorgungsspannung Vb des Einweggleichrichters 15b einen Bogen durchläuft. Der Einweggleichrichter 15b ist in Bezug auf den Stromfluss zunächst mit der zweiten Beleuchtungsgruppe 4b verbunden, deren Gruppenausgang 7 über die zweite Diode 17 mit dem Gruppeneingang 6 der ersten Beleuchtungsgruppe 4a gekoppelt ist. Der Ausgang der ersten Beleuchtungsgruppe 4a ist mit der Konstantstromquelle 5b gekoppelt, die von der Versorgungsspannung Vb gesteuert ist und somit aktiv ist. In dieser zweiten Teilperiode wird somit bei einem Ansteigen der Versorgungsspannung Vb zunächst die zweite Beleuchtungsgruppe 4b und nachfolgend die erste Beleuchtungsgruppe 4a aktiviert. Nach dem Überschreiten des Scheitelwerts wird zunächst die erste Beleuchtungsgruppe 4a und nachfolgend die Beleuchtungsgruppe 4b deaktiviert.
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Durch diese Art der Beschaltung wird erreicht, dass der Strom bei einer halben Periode zunächst über die Beleuchtungsgruppe 4a und dann über die Beleuchtungsgruppe 4b fließt. Während der anderen halben Periode fließt der Strom in umgekehrter Reihenfolge, d. h. zuerst über die Beleuchtungsgruppe 4b und dann die Beleuchtungsgruppe 4a. Bei dieser Beschaltung sind die Stromflussdauern der Beleuchtungsgruppen 4a und 4b jeweils gleich, so dass das Erscheinungsbild verbessert und die Lebensdauer der LEDs 8 aneinander angeglichen ist.
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Besonders hervorzuheben bei den Beleuchtungsvorrichtungen 1 gemäß der 1 und 3 ist, dass sich diese wie eine ohmsche Last verhalten, d. h., dass sich der von der Wechselspannungsversorgung 2 gezogene Strom gleichphasig zu der Wechselspannung der Wechselspannungsversorgung 2 verhält, wie z. B. durch die Normen EN61000-3-2 verlangt wird.
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Die 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung in gleicher Darstellung wie die 1 und 3. Im Vergleich zu dem zweiten Ausführungsbeispiel in der 3 weist das dritte Ausführungsbeispiel vier Beleuchtungsgruppen 4c, d, e, f auf, die gemeinsam eine Kette 18 bilden, jedoch in analoger Weise wie die Beleuchtungsgruppen 4a, b in der 3 miteinander gekoppelt sind. Die Beleuchtungsgruppe 4c bildet das erste Kettenglied der Kette 18, die Beleuchtungsgruppe 4f das letzte Kettenglied der Kette 18. Der Einweggleichrichter 15a ist mit dem Gruppeneingang 6 (V1) der Beleuchtungsgruppe 4c und der Einweggleichrichter 15b mit dem Gruppeneingang 6 (V8) der Beleuchtungsgruppe 4f verbunden. Die Beleuchtungsgruppen 4c, d, e, f sind untereinander zweifach verbunden: Eine erste Verbindung geht von dem Gruppenausgang 7 von einem in Kettenrichtung vorhergehenden Kettenglied über eine erste Entkopplungsdiode 16 in den Gruppeneingang 6 des nachfolgenden Kettenglieds, wobei sich an dem Gruppenausgang 7 des letzten Kettenglieds (4f) eine erste Konstantstromquelle 5a anschließt. Eine zweite Verbindung geht von dem Gruppenausgang 7 von einem in Kettenrichtung nachgeschalteten Kettenglied über eine zweite Entkopplungsdiode 17 in den Gruppeneingang 6 des vorhergehenden Kettenglieds, wobei sich an dem Gruppenausgang 7 des ersten Kettenglieds (4c) in der Kette eine zweite Konstantstromquelle 5b anschließt. Die Funktionsweise der Beleuchtungsvorrichtung 1 in der 4 ist analog zu der Beleuchtungsvorrichtung 1 in der 3, so dass auf die vorhergehenden Erläuterungen verwiesen wird.
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Die erste und die letzte Beleuchtungsgruppe 4c, f weisen jeweils zwei Unterbeleuchtungsgruppen 4c1 und 4c2 sowie 4f1 und 4f2 auf. Jede der Unterbeleuchtungsgruppen 4c1, 4c2, 4f1, 4f2 umfasst eine Mehrzahl von LEDS 8 sowie eine Bypasseinrichtung 9 und bildet damit eine Beleuchtungsgruppe. Die Unterbeleuchtungsgruppen 4c1–4c2 und 4f1–4f2 sind in der zugeordneten Beleuchtungsgruppe 4c bzw. 4f nur einfach und ohne Zwischenschaltung einer Entkopplungsdiode gekoppelt, wobei jeweils ein Untergruppenausgang 19 mit einem Untergruppeneingang 20 unmittelbar verbunden ist. Diese optionale Ausgestaltung hat den Vorteil, dass für den Fall, dass der erwartete Scheitelwert der Versorgungsspannung nicht erreicht wird, nicht eine komplette Beleuchtungsgruppe, also für die erste Teilperiode die Beleuchtungsgruppe 4f und für die zweite Teilperiode die Beleuchtungsgruppe 4c, ausfällt, sondern nur die in Reihenschaltung letzte Unterbeleuchtungsgruppe 4c2 bzw. 4f2, so dass trotz verringerter Versorgungsspannung eine möglichst weitgehende Aktivierung der LEDS 8 erreicht wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Beleuchtungsvorrichtung
- 2
- Wechselspannungsversorgung
- 3
- Gleichrichtereinrichtung
- 4
- Beleuchtungsgruppen
- 5
- Konstantstromquelle
- 6
- Gruppeneingang
- 7
- Gruppenausgang
- 8
- Leuchtdiode
- 9
- Bypasseinrichtung
- 10
- schaltbarer Bypass
- 11
- MOSFET
- 12
- Diode
- 13
- erster Widerstand
- 14
- zweiter Widerstand
- 15
- Gleichrichter
- 16
- erste Entkopplungsdiode
- 17
- zweite Entkopplungsdiode
- 18
- Kette
- 19
- Untergruppenausgang
- 20
- Untergruppeneingang
