DE102012018336A1

DE102012018336A1 - Lichtmodul mit einer LED-Leuchtfläche

Info

Publication number: DE102012018336A1
Application number: DE201210018336
Authority: DE
Inventors: Udo Reese; Rainer Kraft
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-09-15
Filing date: 2012-09-15
Publication date: 2014-05-15

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Lichtmodul zur homogenen Ausleuchtung von Flächen mit einer Leuchtfläche, die in einem Rahmen (10) gehalten ist, und die Leuchtfläche von einer weißen oder verspiegelten Rückwand (20), einer transparenten mit weißen Reflektionspunkten bedruckte Leuchtscheibe (30), wenigstens einer Diffusorfolie (41, 42) und einer aus Glas, Plexiglas oder Kunststoff ausgebildeten Scheibe (50) gebildet ist, wobei im Rahmen (10) mehrere Leuchtmittel (60) so angeordnet sind, dass die Leuchtfläche homogen ausleuchtbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lichtmodul mit einer LED-Leuchtfläche zur homogenen Ausleuchtung von Flächen, beispielsweise zur Hintergrundbeleuchtung von Werbeflächen und Bildern oder Flächen in Räumen und an der Außenseite von Gebäuden.
Lichtmodule der eingangs genannten Art sind aus der DE 297 14 705 bekannt und werden beispielsweise als gestalterische Elemente zur punktuellen Beleuchtung durch einzelne Lichtelemente in sogenannter Leuchtbilder, wie Poster, Kunstdrucke oder Fotografien verwendet. Dazu werden einzelne Leuchtdioden entweder auf der Rückseite eines transparenten Bildträgers angebracht oder in entsprechende Bohrungen auf dem Bildträger eingesetzt. Bei diesen vorbekannten Leuchtbildern ist nachteilig, dass mit den einzelnen punktförmigen Leuchtmitteln eine flächige Hintergrundbeleuchtung des Bildes nicht möglich ist.
Flächige Hintergrundbeleuchtungen sind u. a. aus der Beleuchtung von großflächigen Werbeflächen bekannt, wobei hier ein transparenter Bildträger mit flächiger Hintergrundbeleuchtung aus Leuchtstoffröhren mit einem hohen Energiebedarf und kurzer Lebensdauer verwendet wird.
Bei der bekannten Hintergrundbeleuchtung von LCD-Bildschirmen wird das LED-Licht seitlich in eine klare Kunststoffglasplatte eingestrahlt, an den Kanten und der Rückseite der Glasplatte gebrochen und mit einer auf der Rückseite befindlichen weißen Reflektionsfolie zurückgestrahlt. Auf der Austrittsfläche sind sogenannte Leuchtpunkte aufgeprägt, die das Licht nach außen abstrahlen. Die Leuchtpunkte sind in einem gleichschenkligen Dreieck mit einem Winkel von 60 Grad angeordnet. Durch die Verwendung mehrere unterschiedlich ausgestalteter Diffusorfolien wird das Licht homogenisiert. Der Aufbau ist speziell nur für die Verwendung mit einem LCD-Farbdisplay konzipiert, was eine Nutzung für andere Anwendungen ausschließt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Lichtmodul mit einer mittels LEDs (Light Emitting Diode) ausgestrahlten Leuchtfläche bereitzustellen, welches sich durch einen niedrigen Strombedarf einen hohen Wirkungsgrad, eine lange Lebensdauer und insbesondere eine homogene Lichtausstrahlung auszeichnet und eine Integration in eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen, wie beispielsweise zur Beleuchtung von Kunstobjekten, zur Leuchtwerbung, für handbemalte Glasflächen, beleuchtete Gebäudekennzeichnungen, wie Hausnummern, transparente Kunstdrucke oder Buntglasbilder wie Kirchenfenster auch mit reliefartiger Struktur, als Leuchtelemente für nicht nutzbare Zwischenwände, Fensterersatz mit und ohne Motiven, Böden, Decken oder Wände in oder auch außen an Gebäuden, Notbeleuchtungen an Wänden oder auch in Treppenstufen integriert, als Leuchtfliesen im Sanitärbereich oder für selbstleuchtende Duschkabinen, ermöglicht.
Die Erfindung beruht darauf die vorab beschriebenen bekannten Techniken durch eine sinnvolle Kombination für universelle alternative Anwendungen zu kombinieren und weiterzuentwickeln und eine kostengünstige jedoch auch qualitativ hochwertigere Alternative zu den bisher bekannten Hintergrundbeleuchtungen bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Verbesserungen des erfindungsgemäßen Lichtmoduls, insbesondere auch neue Stromversorgungsvarianten der LEDs des Lichtmoduls sowie eine Verwendung des Lichtmoduls zur Flächen und Raumausleuchtung sind in weiteren Ansprüchen und in der Beschreibung angegeben.
Das erfindungsgemäße Lichtmodul zur homogenen Ausleuchtung von Flächen umfasst eine mit weißen Reflektionspunkten bedruckte Leuchtscheibe, mit einer weißen oder verspiegelten Rückwand zur Stabilisierung des Lichtmoduls und wenigstens einer Diffuserfolie, sowie einer beispielsweise aus Glas, Plexiglas oder Kunststoff ausgebildeten, Scheibe, die durch einen vorgesehenen Rahmen gehalten werden.
Die Scheibe ist vorzugsweise als Motivscheibe, beispielsweise mit einem grafischen Element oder einem Schriftzug ausgestaltet, kann aber auch eine neutrale transparente oder eingefärbte Scheibe sein, welche für Beleuchtungsanwendungen einsetzbar ist.
Im Rahmen sind mehrere als LEDs oder OLEDs (Organic Light Emitting Diode) ausgeführte Leuchtmittel so angeordnet, dass die Leuchtfläche homogen ausleuchtbar ist. Die Leuchtmittel sind über ein externes Steckernetzteil mit dem Stromnetz verbindbar und über ein im Steckernetzteil integriertes Elektronikmodul ansteuerbar.
Als Leuchtmittel werden für eine Hintergrundbeleuchtung von bemaltem oder bedrucktem Glas vorzugsweise LEDs mit kaltweißem Licht (6000 Kelvin) und für mittels dem erfindungsgemäßen Leuchtmodul vorgesehene Raumbeleuchtungen warmweiße LEDS (ab 2000 Kelvin) oder sogenannte RGB-LEDs (farbige LEDs in den Farben rot/grün/blau) eingesetzt. Die verwendeten LEDs werden aus Sicherheitsgründen (Berührungsschutz) mit konstantem Gleichstrom bei Niederspannung <= 50 V betrieben und erhalten ihre Stromzufuhr über ein externem Netzteil.
Die Leuchtmittel sind bevorzugt aus einer Reihenanordnung von äquidistant beabstandeten LEDs gebildet, die auf einer Leiterplatte angeordnet sind und entsprechend ihrer Anzahl entweder in Serie oder in Gruppen parallel miteinander verschaltet sind.
Der Abstand der LEDs zueinander beträgt vorzugsweise ca. 8–10 mm. Die LEDs werden bis maximal 16 Stück in Reihe geschaltet. Die Klemmenspannung einer weißen LED beträgt dabei ca. 3 V. Bei maximal 16 LEDs liegt die gesamte Klemmenspannung bei < 50 V. Übersteigt die benötigte Anzahl der LEDs diesen Wert, werden mehrere Gruppen von in Reihe geschalteten LEDs angeordnet. Die Anzahl der in Reihen geschalteten LEDs sind in jeder Gruppe gleich, so dass die Gruppen mit der gleichen Klemmenspannung betrieben werden können.
Die Stromversorgung zur Ansteuerung der LEDs kann in vorteilhafter Weise direkt aus dem 230 V-Netz über das vorgesehene externe Netzteil erfolgen, wobei das Netzteil mit PFC (PowerFactorCorrection), einer galvanischer Trennung, beispielsweise über einen Transformator und einen primär geregeltem Konstantstrom arbeitet. Das Netzteil kann als Steckerversion oder auch für eine feste Verkabelung in Unterputzmontage ausgeführt sein.
Im Rahmen sind wenigstens zwei Haltevorrichtungen vorgesehen, wobei die erste Haltevorrichtung die Rückwand, die vorzugsweise aus Kunststoff ausgeführte Leuchtscheibe, die Leuchtmittel, die auf einer Leiterplatte oder Platine angeordnet sind, aufnimmt und die zweite Haltevorrichtung die Motivscheibe mit dem grafischen Element bzw. die transparente oder eingefärbte Scheibe aufnimmt.
Das erfindungsgemäße Lichtmodul weist eine Leuchtfläche ab Rahmenschenkellänge von ca. 30 cm, vergrößerbar in 10 cm-Schritten, auf und kann bis hin zu einigen Metern Schenkelfläche des Rahmens in quadratischer, rechteckiger oder mehreckiger Form ausgeführt sein.
Die Leuchtmittel sind an wenigstens einer oder auch an mehreren Seiten in der Haltevorrichtung des Rahmens in einer Reihe hintereinander angeordnet. Bei der Verwendung mehrfarbiger LEDs sind entsprechende sekundär geregelte Stromquellen für vorgesehen, die ebenfalls im externen Netzteil integriert sind. Zur Optimierung des Wirkungsgrades bei unterschiedlich verwendeten Leuchtmitteln kann ein im Elektronikmodul integrierter Mikrocontroller vorgesehen sein, der den sekundären Strombedarf ermittelt und zur Steuerung des primären Konstantstroms ein Signal über Optokoppler an einen vorgesehenen Primärstromregler überträgt.
Der Rahmen zur Aufnahme der Rückwand, der Leuchtscheibe, der Diffusorfolien, der Motivscheibe bzw. der transparenten oder eingefärbten Scheibe und der Leiterplatte mit den Leuchtmitteln ist bevorzugt als Wechselrahmen, Rahmenprofil, Aluprofil oder Kunststoffprofil mit einer variablen Seitenlänge ausgeführt. Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Lichtmodul eine Leuchtfläche ab Rahmenschenkellänge von ca. 30 cm, vergrößerbar in 10 cm-Schritten, auf und kann bis hin zu einigen Metern Schenkelfläche des Rahmens in quadratischer, rechteckiger oder mehreckiger Form ausgeführt sein.
Erfindungsgemäß ist die Leuchtscheibe auf ihrer der Rückwand abgewandten Seite, auch als Vorderseite bezeichnet, mit einer Rasterbedruckung mit Reflektionspunkten zur Lichtumbrechung versehen, welche dafür vorgesehen sind, das seitlich auf die Scheibe eingestrahlte Licht auf die Vorderseite umzulenken. Dazu sind die Reflektionspunkte auf der Lichtaustrittsfläche der Leuchtscheibe aufgebracht bzw. eingeprägt. Die Reflektionspunkte sind in einem Winkel von größer als 30 Grad, vorzugsweise ca. 45 Grad, angeordnet. Der Durchmesser der Reflektionspunkte ist mit ihrer Entfernung zum Leuchtmittel für eine homogene Ausleuchtung des grafischen Elements in ihrem Abstand zueinander angepasst bzw. zu variieren. Die auf der Leuchtscheibe aufgebrachte Schicht zum Brechen des von den LEDs abgestrahlten Lichtes wird vorzugsweise im Siebdruckverfahren oder Nadelpixelverfahren als weiße Leuchtfarbe aufgebracht.
In einer vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lichtmoduls sind anders als bei den bisher bekannten LED-LCD-Displays, auf deren Seitenrändern und Rückwand mattweißen Materialien aufgebracht sind, die mit weißen Reflektionspunkten bedruckte Leuchtscheibe und die Rückwand, auf der ein hoch glänzendes weißes oder verspiegeltes Material aufgebracht ist, vorgesehen. Dies ermöglicht eine mehrfache Reflektion der Lichtstrahlen innerhalb der Leuchtscheibe, wodurch ein ähnlicher Effekt wie bei einem Laser-Lichtverstärker erreicht wird. Die dabei entstehenden Totalreflektionen an den Brechungskanten werden letztendlich auf die Leuchtpunkte auf der Vorderseite der Leuchtscheibe verstärkt umgelenkt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lichtmoduls sind wenigstens zwei unterschiedliche angepasste Diffusorfolien zur Homogenisierung des durch die Leuchtmittel abgestrahlten Lichtes vorgesehen.
Das Elektronikmodul zur Ansteuerung der Leuchtmittel ist bei Verwendung mehrerer Leiterplatten unterschiedlicher Länge und einer sich daraus ergebenden unterschiedlicher Klemmspannung, beispielsweise bei der Anwendung großen Abmessungen des Lichtmoduls, mit einer eigenen konstanten Stromversorgung ausgestattet.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lichtmoduls sind die Helligkeit und/oder die Farbeffekte der Leuchtmittel mittels einer Helligkeitssteuerung und einer Fernbedienung programmierbar und bedienbar und/oder mittels eines integrierten Dimmerbausteins dimmbar, beispielsweise über eine BlueTooth oder WLAN-Verbindung mittels eines PCs, eines Laptops, eines Tablet-Computers oder eines Mobiltelefons mit entsprechendem Applikationsprogramm (APP).
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lichtmoduls ist vorgesehen im Elektronikmodul eine Funkuhrfunktion zur freien Programmierung von Leuchteffekten nach Zeit und Datum durch den Anwender zu integrieren. Auch kann das Elektronikmodul mit einem Fremdlichtsensor zur automatischen und/oder vorprogrammierbare Helligkeits- und Farbsteuerung und/oder zur Anpassung an das Umgebungslicht zusammenwirken. Die entsprechende Funktionsweise ist über eine frei programmierbare Kennlinie festlegbar.
Die wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Lichtmoduls sind neben einer homogenen Lichtausstrahlung ein niedriger Stromverbrauch, ein hoher Wirkungsgrad, eine lange Lebensdauer der Leuchtmittel, eine geringe Eigenerwärmung sowie eine flache Einbautiefe der Leuchtfläche von ca. 10–20 mm Dicke, so dass das erfindungsgemäße Lichtmodul auch in Wandflächen einbaubar ist. Auch sind die jeweils verwendeten grafischen Elemente durch die Verwendung eines Wechselrahmens mit zwei Haltevorrichtungen in einfacher Weise austauschbar, ohne dass die Leuchtfläche demontiert werden muss.
Anhand des in den folgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Lichtmoduls sollen die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen, Verbesserungen und weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Lichtmoduls näher erläutert und beschrieben werden.
Es zeigen:
1 eine beispielhafte Ausführungsform des Schnittbildes eines Wechselrahmenprofils des erfindungsgemäßen Lichtmoduls,
2 ein beispielhaftes LED-Modul des erfindungsgemäßen Lichtmoduls mit in Gruppen und Reihen miteinander verschalteter Leuchtdioden,
3 eine beispielhafte Schaltung einer Konstantstromversorgungseinheit der LEDs des Lichtmoduls einer manuellen Helligkeitssteuerung,
4 eine beispielhafte Schaltung einer Konstantstromversorgungseinheit der LEDs des Lichtmoduls einer ferngesteuerte Helligkeitssteuerung, und
5 eine weitere beispielhafte Schaltung einer Konstantstromversorgungseinheit von mehrfarbigen LEDs für eine vorgesehene ferngesteuerte Helligkeits- und Farbeffektsteuerung.
1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform des Schnittbildes eines Wechselrahmenprofils des erfindungsgemäßen Lichtmoduls 1 zur homogenen Ausleuchtung von Flächen mit einer Leuchtfläche, die auf dem Rahmen 10 befestigt ist, wobei die Leuchtfläche von einer Rückwand 20 gebildet ist, die über eine transparente Leuchtscheibe 30 und zwei Diffusorfolien 41, 42 mit einer Motivscheibe 50 durch den Rahmen 10 gehalten ist. Im Rahmen 10 sind mehrere als LEDs ausgeführte Leuchtmittel 60, auch LED-Modul genannt, auf einer Leiterplatte so angeordnet, dass die Leuchtfläche homogen ausleuchtbar ist.
Der Wechselrahmen 10 dient zur Aufnahme der Rückwand 20, der Leuchtscheibe 30, der Diffusorfolien 41, 42, der Motivglasscheibe 50 und der Leiterplatte, auf der die LEDs 60 angeordnet sind.
Die Rückwand 20 dient der Stabilisierung und dem Transportschutz und kann anwendungsbedingt um eine geringere Einbautiefe zu erreichen, durch eine weiße oder verspiegelte Folie ersetzt werden.
Da das Wechselrahmenprofil üblicherweise als Meterware zur Verfügung steht, wird es in Abhängigkeit von der Größe der Motivscheibe 50 in den erforderlichen Längen geschnitten und mit je einem Gehrungswinkel an den beiden Enden versehen. Damit kann ein Rahmen 10 mit beliebiger Form und Größe zusammengebaut werden. Die Begrenzung der Größe des Lichtmoduls 1 ist nur von der maximalen verfügbaren Plattengröße für Rückwand 20, Leuchtscheibe 30 und Diffusorfolien 41, 42 abhängig.
Bei der Verwendung großer Rahmen 10 (ab ca. 90 cm) ist die Anordnung der LEDs an zwei sich gegenüberliegenden Seiten der Leuchtfläche vorgesehen. Jedoch sind auch zusätzlich Einstrahlungen von den weiteren Seiten der Leuchtfläche möglich.
Die Stromversorgung zur Ansteuerung der LEDs 60 wird direkt aus dem 230 V-Netz entweder mit externem Steckernetzteil oder für die feste Verkabelung unter Putz mit Einbau in eine Schalterdose bereitgestellt. Dazu ist in einem Teilbereich des Rahmens 10 eine Kabeldurchführung 80 integriert. Die LEDs 60 werden aus Sicherheitsgründen (Berührungsschutz) mit konstantem Gleichstrom bei Niederspannung <= 50 V betrieben.
Die Befestigung der vier Seitenteile des Wechselrahmens 10 untereinander erfolgt wie bei handelsüblichen Metallbilderrahmen mittels vier Winkel, die in eine Nute eingeschoben und vorzugsweise mit jeweils zwei als Schrauben ausgeführte Verbindungsmittel, geklemmt werden. Für die Aufnahme der Rückwand 20, der Leuchtscheibe 30, der Diffusorfolien 41, 42 und der Motivglasscheibe 50 ist ein Doppel-U-Profil vorgesehen, in welches diese Scheiben eingeschoben werden. Das hintere U-Profil, auch als erste Haltevorrichtung 11 bezeichnet, dient zum Einschieben der Rückwand 20, der Leuchtscheibe 30, den Diffusorfolien 41, 42 und der Leiterplatte 80 mit den darauf angeordneten LEDs 60. Das vordere U-Profil, auch als zweite Haltevorrichtung 12 bezeichnet, dient zum Einschieben der Motivscheibe 50. Durch Lösen des oberen Rahmenteils kann die Motivscheibe 50 in einfacher Weise ausgewechselt werden, ohne dass die Leuchtfläche dabei auseinanderfällt oder verrutscht. Im unteren Rahmenteil 11 wird die zuvor isolierte Leiterplatte 70 befestigt, wobei das Kabel über eine im Rahmen 10 vorgesehene Kabeldurchführung 80 nach außen geführt wird. Danach werden die beiden seitlichen Rahmenteile montiert. Die Rückwand 20, die Leuchtscheibe 30 und die Diffusorfolien 41, 42 werden in das hintere U-Profil 11 bündig zur vorab eingefügten Leiterplatte 70 mit den darauf befindlichen LEDs 60 eingeschoben.
Die Diffusorfolien 41, 42 sind vorzugsweise aus Kunststoff gebildet und aus dem Stand der Technik als Hilfsmittel bekannt, um das direkte Licht der Leuchtmittel 60 weicher zu machen und Licht-Schatten-Kontraste sowie störende Reflexe zu reduzieren und eine gleichmäßige Ausleuchtung der Leuchtfläche zu erreichen.
Das Rahmenprofil wird als Meterware geliefert, wird in den erforderlichen Längen abgeschnitten und mit je einem Gehrungswinkel an den beiden Enden versehen. Damit kann ein Rahmen mit beliebiger Form und Größe zusammengebaut werden. Die Begrenzung der Größe hängt nur von der maximalen verfügbaren Plattengröße für Rückwand, Leuchtscheibe und Diffusorfolien ab.
Die Leuchtscheibe ist vorteilhafterweise eine bruchsichere Kunststoffscheibe auf der die Reflektionspunkte aufgedruckt sind.
Die auf der Leuchtscheibe in einem gleichschenkligen Dreieck auf die Leuchtscheibe aufgebrachten eingeprägten Reflektionspunkte werden mit einer lichtdurchlässigen Hochglanzfarbe in einem Winkel von bevorzugt 45 Grad zur verbesserten homogeneren Lichtverteilung bedruckt. Um eine Überstrahlung an der Lichteintrittskante der Leuchtscheibe zu vermeiden, werden die Abstände der Reflektionspunkte variiert. Die Verwendung des bevorzugten 45 Grad Winkels ist von Vorteil, um Dunkelfelder im mittleren Bereich der Leuchtscheibe zu vermeiden.
2 zeigt beispielhaft wie ein LED-Modul 60 in mehreren Gruppen mit jeweils in Reihe geschalteten LEDs 60 auf der Leiterplatte 70 verschaltet werden können. Der Vorwiderstand RV dient zum Ausgleich der LED-Spannungstoleranzen bei der Parallelschaltung der Gruppen.
Die Leiterplatte 70 wird bevorzugt mit einer maximalen Länge von ca. 50 cm gefertigt, wobei aber auch Längen von ca. 40 cm und ca. 30 cm bevorzugte Ausführungsformen bilden und damit alle Größen ab 30 cm in Schritten von 10 cm realisierbar sind. Jedoch sind auch andere Abmessungen als individuelle Sonderlösungen möglich. Bei einer Länge der Leiterplatte 70 von ca. 50 cm werden bevorzugt 4 × 12 = 48 LEDs mit ca. 3,0 V × 12 = 36 V, bei ca. 40 cm 3 × 13 = 39 LEDs mit ca. 3,0 V × 13 = 39 V und bei ca. 30 cm 2 × 15 = 30 LEDs mit ca. 3,0 V × 15 = 45 V verwendet.
Entsprechend der unterschiedlichen Längenabmessungen der eingesetzten Leiterplatten 70 erfolgt auch eine entsprechend Anpassung der Anzahl der LEDs 60. Der Abstand der LEDs zueinander beträgt bevorzugt ca. 8–10 mm und die LEDs 60 werden bis maximal 16 Stück in Reihe geschaltet. Die Klemmenspannung einer weißen LED beträgt ca. 3 V. Bei maximal 16 LEDs 60 liegt die gesamte Klemmenspannung bei < 50 V. Übersteigt die benötigte Anzahl der LEDs 60 diesen Wert, werden mehrere Gruppen von in Reihe geschalteten LEDs 60 angeordnet, wie 2 zeigt. Die Anzahl der in Reihen geschalteten LEDs 60 sind in vorteilhafter Weise in jeder Gruppe gleich, damit die Gruppen mit der gleichen Klemmenspannung betreibbar sind. Zur Kompensation von auftretenden Spannungstoleranzen einer LED-Gruppe wird diese mit einem zusätzlich Vorwiderstand RV in Reihe beschaltet, dessen Dimensionierung von der maximalen Toleranz und dem maximalen LED-Strom abhängig ist.
Ist es erforderlich mehrere auch unterschiedlich lange Leiterplatten 70 zu kombinieren, (beispielsweise eine 90 cm lange Leiterplatte 70, dann werden eine 50 cm und eine 40 cm lange Leiterplatte 70 verwendet) und die Leiterplatten 70 werden, bedingt durch ihre unterschiedliche benötigte Klemmenspannung z. B. 36 V und 39 V, jeweils an eine eigene Stromversorgung angeschlossen. Damit wird garantiert, dass für jeden Stromzweig der gleiche Konstantstrom bei einem optimalen Wirkungsgrad regelbar ist. Ein Leistungsverlust durch externe Ausgleichswiderstände, die sonst für jede Anwendung neu dimensioniert werden müssten, wird dadurch vermieden.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lichtmoduls 1 sind die Helligkeit und/oder die Farbeffekte der Leuchtmittel mittels einer Helligkeitssteuerung und einer Fernbedienung programmierbar und bedienbar und/oder mittels eines integrierten Dimmerbausteins dimmbar, beispielsweise über eine BlueTooth oder WLAN-Verbindung mittels eines PCs, eines Laptops, eines Tablet-Computers oder eines Mobiltelefons mit entsprechendem Applikationsprogramm (APP).
Bei herkömmlichen LED-Helligkeitssteuerungen wird der maximale LED-Strom mit einem PWM-Signal getaktet (ein- und ausgeschaltet), was bei Spannungen von bis zu 50 V oder Strömen bis zu 1 A beträchtliche Hochfrequenz-Störungen auf der Stromversorgungsleitung und auf der LED-Leiterplatte verursacht. Um diese Störungen zu mindern, werden im Stand der Technik abgeschirmte Kabel mit wesentlich höheren Kosten, sowie eine teure Abschirmung der Leiterplatte verwendet.
Zur Vermeidung der vorgenannten Nachteile werden die LEDs 60 des erfindungsgemäßen Lichtmoduls 1 mit einem konstanten Gleichstrom betrieben und dadurch derartige Störungen vermieden. Zur Helligkeitssteuerung der LEDs wird die Stromstärke verändert.
3 zeigt eine bevorzugte im Elektronikmodul integrierte Konstantstromversorgung, zur Vermeidung von HF-Abstrahlungen durch PWM-Signale einer manuellen Helligkeitssteuerung der LEDs, dass nachfolgend auch als Gleichstrommodul bezeichnet wird.
Bei herkömmlichen LED-Dimmern wird immer der maximale Strom auf die LED aufgeschaltet. Zum Dimmen wird dann mittels einer PWM-Steuerung (mit Schaltfrequenzen von z. B. 50 kHz bis 500 kHz) der arithmetische Mittelwert des Stromes verringert, dadurch ändert sich auch der arithmetische Mittelwert der Helligkeit. Bei einer Spannung von ca. 40 V und ca. 0,5 A verursacht diese Methode erhebliche HF-Störungen auf dem Kabel und der Leiterplatte, durch einen Konstantstrom, der in seinem absoluten Wert verändert wird, gibt es hingegen keine Störungen.
Die Stromversorgung der LEDs erfolgt üblicherweise aus dem Stromnetz mit Spannungen von 90–265 VAC. Bei Sonderanwendungen kann die Stromversorgung auch an einem Gleichstromnetz mit 80–240 VDC betrieben werden. Zur galvanischen Trennung (Berührschutz auf der Niederspannungsseite) wird ein Hochfrequenztransformator HFTR verwendet, der die Netzspannung auf dessen Sekundärseite über einen Niederspannungsgleichrichter NSGR auf weniger als 50 V für die an seiner Ausgangsseite angeschlossenen LEDs 60 heruntersetzt. Die Stromversorgung wird primärseitig als Schaltnetzteil, vorzugsweise als Flyback Convertor, realisiert.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungen wird die Ausgangsspannung zur Ansteuerung der LEDs über einen Optokoppler als Schaltsignal oder einer Hilfswicklung des Transformators zurückgeführt. Diese Rückkopplung entfällt bei dem in 3 gezeigtem Gleichstrommodul dadurch, dass der Gleichrichtwert des sekundären Wechselstroms proportional dem Gleichrichtwert des primären Wechselstroms entsprechend dem Transformatorgesetz entspricht. Für einen konstanten Ausgangsstrom ILED muss lediglich der primäre Wechselstrom mit einem Primärstromregler SR konstant ausgeregelt werden. Dazu wird der primäre Wechselstrom indirekt mit einem Strommesswiderstand SM gemessen und als Istwert dem Stromregler SR zugeführt. Der Konstantstromsollwert wird mit einem Helligkeitsregler HR, vorzugsweise einem Potentiometer im Steckernetzteil, eingestellt und im Stromregler SR mit dem arithmetischen Mittelwert des Istwerts verglichen. Mit der damit ermittelten Regelabweichung wird ein PWM-Signal an einen Primärstromschalter PS ausgegeben, der den primären Wechselstrom nach dem Induktionsgesetz in der Primärwicklung des Hochfrequenztransformators HFTR erzeugt. Die Regelzeitkonstante wird vorzugsweise auf T ≥ 10 ms eingestellt, um das PWM-Signal über die Periode der Netzfrequenz nahezu konstant zu halten. Dadurch wird der Netzstrom proportional der Netzspannung ohne Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung bereitgestellt, was als Voraussetzung für eine gut funktionierende Power Factor Correction (PFC) notwendig ist. Die Rückwirkung der hochfrequenten Stromanteile auf das Versorgungsnetz, verursacht durch die PWM, ist mit einfachen preiswerten Filtern auf der Netzseite minimierbar.
Die Stromversorgung der LEDs erfolgt bevorzugt aus dem Stromnetz mit Spannungen von ca. 230 V Wechselspannung, die erfindungsgemäß über einen Hochspannungsgleichrichter HSGR dem Spannungsversorgungsbaustein SV und dem Stromregler SR zur Verfügung gestellt wird.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lichtmoduls 1 gemäß 4 wird die Helligkeit der LEDs mittels der Helligkeitssteuerung und einer Fernbedienung programmiert und bedient, beispielsweise über eine BlueTooth oder WLAN-Verbindung mittels eines PCs, eines Laptops, eines Tablet-Computers oder eines Mobiltelefons mit einem entsprechendem Applikationsprogramm (APP). Dazu ist das Stromversorgungsmodul anstelle des in 3 verwendeten Stromreglers mit einem Mikroprozessor MP ausgestattet, der die Stromregelung übernimmt, und vorzugsweise über eine WLAN- und/oder eine BlueTooth(BT)-Schnittstelle verfügt.
Optional ist im Mikrocontroller eine Funkuhr FU integriert, welche Steuerungsfunktionen (alle Funkprotokolle weltweit möglich) angeboten, mit der Steuerungen, wie ein- oder ausschalten, Helligkeitseffekte, nach Uhrzeit und Datum programmierbar sind. Die Programmierung erfolgt vorzugsweise über einen PC oder Laptop, der das entsprechend Programm auch an die Leuchtfläche mittels einer drahtlosen Verbindung übertragen kann.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lichtmoduls 1 sind die Farbeffekte bei der Verwendung mehrfarbiger LEDs mit der in 5 gezeigten Schaltung mittels der Helligkeitssteuerung und der Fernbedienung programmierbar und bedienbar.
5 zeigt somit eine weitere beispielhafte Schaltung einer Konstantstromversorgungseinheit für mehrfarbige LEDs.
Bei der Verwendung mehrerer farbiger LED-Zeilen wird jeweils eine sekundär geregelte Stromquelle SSR verwendet, die zur Helligkeitssteuerung der einzelnen Farben in ihrer Stromstärke ILED eingestellt werden. Der sekundäre Strombedarf wird mittels eines Mikrocontrollers MP ermittelt, der ein Steuersignal über einen Optokoppler OK zur Regelung des primären Konstantstroms erzeugt und damit die Optimierung des Wirkungsgrades sicherstellt.
Mittels der vorgesehenen und in der 4 beschriebenen Funkfernsteuerung ist nicht nur eine Einstellung der Helligkeit sondern zusätzlich auch der Farbe (RGB) oder Farbtemperatur (z. B. 2000–6000 K) einstellbar. Die Funkstrecke ist dazu bidirektional ausgelegt, damit auch die momentanen Betriebsdaten auslesbar sind.
Für die Fernsteuerung ist in einer ersten Version des erfindungsgemäßen Lichtmoduls ein mit einem Akku betriebenes Handgerät (nur zum Einstellen, kein Auslesen) vorgesehen. Mittels einer zusätzlichen Software erfolgt dann in einer weiteren Version die Fernsteuerung und Auslesung der Betriebsdaten über PC, Laptop oder APP für intelligente Mobiltelefone.
Auch in dieser Schaltung ist eine Funkuhr integriert, mit der auch Farbeffekte, nach Uhrzeit und Datum programmierbar sind.
Bezugszeichenliste

1: Lichtmodul
10: Rahmen, Wechselrahmen, Wechselrahmenprofil, Aluprofil
11: erste Haltevorrichtung, unteres (hinteres) Rahmenteil
12: zweite Haltevorrichtung, oberes (vorderes) Rahmenteil
20: Rückwand
30: Leuchtscheibe
41: erste Diffusorfolie
42: zweite Diffusorfolie
50: grafisches Element, Motivscheibe, Scheibe aus Glas, Plexiglas, Kunststoff, neutrale transparente oder eingefärbte Scheibe
60: Leuchtmittel, LED, LED-Modul
70: Platine, Leiterplatte
80: Kabeldurchführung
90: Verbindungsmittel
100: Konstantstromversorgung mit manueller Helligkeitssteuerung
200: Konstantstromversorgung mit ferngesteuerter Helligkeitssteuerung
300: Konstantstromversorgung mit mehrfarbiger ferngesteuerter Helligkeits- und Farbsteuerung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 29714705 [0002]

Claims

Lichtmodul zur homogenen Ausleuchtung von Flächen mit einer Leuchtfläche, die in einem Rahmen (10) gehalten ist, und die Leuchtfläche von einer weißen oder verspiegelten Rückwand (20), einer transparenten mit weißen Reflektionspunkten bedruckte Leuchtscheibe (30), wenigstens einer Diffusorfolie (41, 42) und einer aus Glas, Plexiglas oder Kunststoff ausgebildeten Scheibe (50) gebildet ist, wobei im Rahmen (10) mehrere Leuchtmittel (60) so angeordnet sind, dass die Leuchtfläche homogen ausleuchtbar ist.
Lichtmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen wenigstens zwei Haltevorrichtungen (11, 12) umfasst, wobei die erste Haltevorrichtung (11) die Rückwand (20), die Leuchtscheibe (30), die auf einer Leiterplatte (70) angeordneten Leuchtmittel (60) und die zweite Haltevorrichtung (12) die aus Glas, Plexiglas oder Kunststoff gebildeten Scheibe (50) aufnimmt.
Lichtmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtmittel (60) LEDs oder OLEDs, wobei als Leuchtmittel (60) auch mehrfarbigen LEDs einsetzbar sind und dazu entsprechende sekundär geregelte Stromquellen für die mehrfarbigen LEDs vorgesehen sind.
Lichtmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Ränder der Leuchtscheibe (30) und die Rückwand (20) verspiegelt sind und/oder einem Hochglanzlack in der Farbe Weiß aufweisen.
Lichtmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtscheibe (30) auf ihrer der Rückwand (20) abgewandten Seite eine Rasterbedruckung mit Reflektionspunkten in weißer Leuchtfarbe zur Lichtumbrechung aufweist, welche dafür vorgesehen ist, das seitlich auf die Leuchtscheibe (30) eingestrahlte Licht und auch von den seitlichen Kanten und der Rückwand (20) zu brechen und zurückzustrahlen.
Lichtmodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektionspunkte auf der Lichtaustrittsfläche der Leuchtscheibe (30) aufgebracht sind und die Punkte in einem Winkel von ca. 45 Grad angeordnet sind.
Lichtmodul nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Reflektionspunkte und ihr Abstand zueinander mit ihrer Entfernung zum Leuchtmittel (60) für eine homogene Ausleuchtung der Scheibe (50) angepasst sind.
Lichtmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei oder mehrere unterschiedlich angepasste Diffusorfolien (41, 42) vorgesehen sind.
Lichtmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (10) zur Aufnahme der Rückwand (20), der Leuchtscheibe (30), der Diffusorfolien (41, 42), der Scheibe (50), der Leuchtmittel (60) auf ihrer Leiterplatte (70) als Wechselrahmen, Rahmenprofil, Aluprofil oder Kunststoffprofil mit einer variablen Seitenlänge ausgeführt ist.
Lichtmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtmittel (60) an wenigstens einer oder mehreren Seiten in den Haltevorrichtungen (11, 12) des Rahmens (10) angeordnet sind.
Lichtmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtmittel (60) auf der Leiterplatte (70) in einer Reihe aufgebracht sind, deren elektrische Gruppierung dahingehend angepasst ist, dass die Leuchtmittel (60) in einer oder mehreren parallelen zueinander angeordneten Gruppen mit jeweils bis zu maximal 16 LEDs in einer Reihe Serienschaltung miteinander verschaltet sind.
Lichtmodul nach Anspruch einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Verwendung mehrerer modularer Leiterplatten (70) in unterschiedlicher Länge diese jeweils eine eigene Stromversorgung mit Konstantstrom aufweisen.
Lichtmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromversorgungsmodul vorgesehen ist, das mit einem für die Helligkeitssteuerung einstellbaren, konstanten Gleichstrom zur Vermeidung von HF-Abstrahlungen durch PWM-Signale die Leuchtmittel (60) ansteuert.
Lichtmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtmittel (60) über ein vorgesehenes Netzteil aus einem 230 V-Netz versorgt wird und das Netzteil mit PFC (PowerFactorCorrection), einer galvanischer Trennung, beispielsweise über einen Transformator und einen primär geregeltem Konstantstrom, arbeitet.
Lichtmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Optimierung des Wirkungsgrades bei der Anwendung der Leuchtmittel (60) in mehreren Farben (RGB) ein Mikrocontroller vorgesehen ist, der den sekundären Strombedarf ermittelt und zur Steuerung des primären Konstantstroms ein Steuersignal über Optokoppler bereitstellt.
Lichtmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Helligkeit und/oder die Farbeffekte der Leuchtmittel (60) mittels einer Fernbedienung programmierbar und bedienbar sind.
Lichtmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Stromversorgungsmodul eine Funkuhrfunktion zur freien Programmierung von Leuchteffekten nach Zeit und Datum integriert ist und/oder mit einem Fremdlichtsensor zur automatischen und/oder vorprogrammierbare Helligkeits- und Farbsteuerung und/oder zur Anpassung an das Umgebungslicht zusammenwirkt.
Verwendung des Lichtmoduls nach einem der vorherigen Ansprüche zur Beleuchtung von Kunstobjekten, zur Leuchtwerbung, für handbemalte Glasflächen, transparente Kunstdrucke oder Buntglasbilder, als Leuchtelemente für nicht nutzbare Zwischenwände, Fensterersatz mit und ohne Motiven, Böden, Decken oder Wände in oder außen an Gebäuden, Notbeleuchtungen an Wänden oder auch in Treppenstufen integriert, als Leuchtfliesen im Sanitärbereich oder für selbstleuchtende Duschkabinen.