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Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Identifizierung von Umgebungslichtschwankungen und ein Halbleiterbauelement zur Identifizierung von Umgebungslichtschwankungen.
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Mit einem Stromnetz versorgte Umgebungslichtquellen liefern oftmals eine Leuchtdichte mit periodischen Schwankungen, deren Frequenz mit einer Netzfrequenz von typischerweise 50 Hz oder 60 Hz korreliert. Konventionelle Verfahren zur Bestimmung der Frequenz basieren auf Messungen mit schneller Abtastung und einer Auswertung der Messungen mittels schneller FourierTransformation (englisch fast Fourier transform). Solche Verfahren sind allerdings sehr rechenaufwendig und haben oft geringe Auflösung aufgrund der schnellen Abtastung. Weiterhin erfordern solche Verfahren aufgrund der geringen Integrationszeit eine hohe Signalstärke des Umgebungslichts.
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Die
DE 694 12 736 T2 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung von Lichtquellen verschiedener Frequenzen.
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Die
US 8 045 017 B2 beschäftigt sich mit Verfahren und Systemen zur Erfassung der Blinkrate einer Umgebungslichtquelle.
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Eine Aufgabe ist es, ein einfaches und nicht rechenaufwendiges Verfahren zur Identifizierung von Umgebungslichtschwankungen und ein Halbleiterbauelement zur Identifizierung von Umgebungslichtschwankungen anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Identifizierung von Umgebungslichtschwankungen beziehungsweise ein Halbleiterbauelement zur Identifizierung von Umgebungslichtschwankungen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen 1, 2 und gemäß des nebengeordneten Patentanspruchs 6 gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Gemäß einer Ausführungsform weist ein Verfahren zur Identifizierung einer Schwankungsfrequenz eines Umgebungslichts anhand einer vorgegebenen ersten Frequenz und einer vorgegebenen zweiten Frequenz folgende Schritte auf:
- A) Vorgeben der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz, wobei die erste Frequenz kleiner als die zweite Frequenz ist;
- B) Messen einer optischen Leistung des Umgebungslichts mittels eines Signalempfängers über ein Messzeitintervall während einer Gesamtmesszeit, wobei das Messzeitintervall kleiner oder gleich einer der ersten Frequenz zugehörigen ersten Periodendauer ist;
- C) Erfassen der optischen Leistung des Umgebungslichts in einer Zeitreihe über die Gesamtmesszeit;
- D) Bestimmen zumindest eines Erkennungsmerkmals zur Identifizierung der Schwankungsfrequenz mittels Auswertens der Zeitreihe; und
- E) Identifizieren der Schwankungsfrequenz des Umgebungslichts als die erste Frequenz oder als die zweite Frequenz anhand des zumindest einen Erkennungsmerkmals.
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Unter einer Schwankungsfrequenz eines Umgebungslichts wird im Rahmen der Anmeldung eine Anzahl eines sich wiederholenden Verlaufs einer Kenngröße des Umgebungslichts innerhalb einer Sekunde verstanden. Die Kenngröße kann eine Leuchtdichte, eine optische Leistung oder eine optische Energie des Umgebungslichts sein.
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Bevorzugt unterscheidet sich die erste Frequenz mindestens um 10 % von der zweiten Frequenz, besonders bevorzugt um mindestens 15 %, beispielsweise 20 % von der zweiten Frequenz. Insbesondere unterscheidet sich die erste Frequenz höchstens um 90 % von der zweiten Frequenz. Die angegebenen Prozentwerte beziehen sich jeweils auf die erste Frequenz. Es ist auch denkbar, dass sich die erste Frequenz und die zweite Frequenz beliebig von einander unterscheiden, sofern die zweite Frequenz keine Oberschwingung, also kein Vielfaches, der ersten Frequenz ist. Die der ersten Frequenz zugehörige erste Periodendauer ist der Kehrwert der ersten Frequenz.
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Der Signalempfänger umfasst vorzugsweise einen Photodetektor. Die optische Leistung des Umgebungslichts wird vorzugsweise mittels eines Photodetektors, beispielsweise eines Phototransistors oder einer Photodiode, gemessen. Eine Signalstärke des elektrischen Signals des Photodetektors korreliert vorzugsweise linear mit der optischen Leistung des Umgebungslichts.
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Unter einem Messzeitintervall wird im Rahmen der Anmeldung eine Zeitdauer während einer einzelnen Messung verstanden. Während der Gesamtmesszeit wird bevorzugt eine Mehrzahl von Messungen durchgeführt. Vorzugsweise die Anzahl der Messungen kleiner als 100, bevorzugt kleiner als 50 und besonders bevorzugt kleiner als 20. Insbesondere ist die Anzahl der Messungen genau 3 oder 6 oder 12.
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Unter einer Zeitreihe wird im Rahmen der Anmeldung eine zeitliche Abfolge von Messdaten verstanden. Insbesondere ist die Zeitreihe in einem Diagramm mit zwei Koordinatenachsen darstellbar, wobei eine Koordinatenachse eine Zeitachse ist und die weitere Koordinatenachse vorzugsweise eine Achse der Kenngröße des Umgebungslichts ist.
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Die Messdaten umfassen bevorzugt Messwerte aus den Messungen, wobei ein Messwert vorzugsweise ein über das Messzeitintervall aufintegriertes Signal des Photodetektors, das mit der optischen Leistung des Umgebungslichts während des Messzeitintervalls vorzugsweise linear korreliert.
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Unter einem Erkennungsmerkmal zur Identifizierung der Schwankungsfrequenz wird im Rahmen der Anmeldung eine Größe verstanden, die aus der Zeitreihe ermittelbar ist. Anhand des Erkennungsmerkmals wird insbesondere die Schwankungsfrequenz des Umgebungslichts als die erste Frequenz oder als die zweite Frequenz identifiziert. Dabei wird vorzugsweise das Erkennungsmerkmal mit zumindest einem Referenzwert verglichen. Der Referenzwert wird bevorzugt basierend auf der ersten Frequenz und/oder der zweiten Frequenz und/oder der Gesamtmesszeit festgelegt. Alternativ kann der Referenzwert durch Versuche, durch Simulationen oder durch eine Messungenauigkeitanalyse festgelegt werden.
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Die Schwankungsfrequenz einer Umgebungslichtquelle korreliert mit der Netzfrequenz des Stromnetzes, mit dem die Umgebungslichtquelle versorgt wird. Zur Unterscheidung zwischen der Netzfrequenz und der Schwankungsfrequenz wird im Rahmen der Anmeldung die Netzfrequenz in Hertz (Hz) elektrisch angegeben und die Schwankungsfrequenz in Hertz optisch angegeben. In der Praxis entspricht ein Hz elektrisch üblicherweise zwei Hz optisch. Mit anderen Worten überführt eine Umrechnung von Herz optisch in Herz elektrisch die Schwankungsfrequenz in die Netzfrequenz. Das heißt zum Beispiel, dass eine Netzfrequenz von 50 Hz elektrisch eine Schwankungsfrequenz von 100 Hz optisch bewirkt. Im Rahmen der Anmeldung werden die Schwankungsfrequenz, die erste Frequenz und die zweite Frequenz in Hz optisch angegeben, wobei lediglich die Netzfrequenz in Hz elektrisch angegeben wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung beträgt das Messzeitintervall bevorzugt zwischen einschließlich einem Zehntel einer der zweiten Frequenz zugehörigen zweiten Periodendauer und einschließlich der ersten Periodendauer. Die zweite Periodendauer ist der Kehrwert der zweiten Frequenz. Ein derartiges Messzeitintervall erlaubt mindestens eine Messung während der ersten Periodendauer beziehungsweise während der zweiten Periodendauer. Bevorzugt wird eine Mehrzahl von Messungen während der zweiten Periodendauer durchgeführt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die erste Frequenz und die zweite Frequenz zwischen einschließlich 20 Hz und einschließlich 200 Hz. Die erste Periodendauer und die zweite Periodendauer sind folglich zwischen einschließlich 5 Millisekunden (ms) und einschließlich 50 ms. Vorzugsweise ist das Messzeitintervall zwischen einschließlich 0,5 ms und einschließlich 50 ms.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung beträgt die erste Frequenz 100 Hz und die zweite Frequenz 120 Hz. Diese Wahl der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz erweist sich als besonders zweckmäßig für die Identifizierung der in der Praxis üblicherweise verwendeten Netzfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz. Vorzugsweise ist das Messzeitintervall zwischen einschließlich 0,5 ms und einschließlich 10 ms. Ein derartiges Messzeitintervall erweist sich als besonders zweckmäßig für die Identifizierung der Schwankungsfrequenz als die erste Frequenz oder als die zweite Frequenz.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Erkennungsmerkmal vorzugsweise ein Zeitabstand zwischen zwei aufeinander folgenden lokalen Mimima der optischen Leistung oder ein Zeitabstand zwischen zwei aufeinander folgenden lokalen Maxima der optischen Leistung in der Zeitreihe. Abgesehen davon kann das Erkennungsmerkmal ebenfalls ein Zeitabstand zwischen zwei aufeinander folgenden Mittelwertdurchgängen sein.
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Enthält die optische Leistung keine eindeutigen Minima beziehungsweise keine eindeutigen Maxima - das bedeutet, dass die optische Leistung lediglich im Rahmen einer Messunsicherheit schwankt - weist das Umgebungslicht keine Schwankungsfrequenz auf. Andernfalls erfolgt das Identifizieren der Schwankungsfrequenzbevorzugt durch einen Vergleich des Zeitabstands mit Referenzwerten. Die Referenzwerte sind vorzugsweise die erste Periodendauer und die zweite Periodendauer. Sind der Zeitabstand und die erste Periodendauer im Wesentlichen gleich, wird die Schwankungsfrequenz als die erste Frequenz identifiziert. Sind der Zeitabstand und die zweite Periodendauer im Wesentlichen gleich, wird die Schwankungsfrequenz als die zweite Frequenz identifiziert. „Im Wesentlichen gleich“ bedeutet im Rahmen der Anmeldung, dass sich der Wert des Erkennungsmerkmals und der Wert des Referenzwertes höchstens um 12 %, bevorzugt höchstens um 6 % und besonders bevorzugt höchstens um 3 % voneinander unterscheiden. Ist der Zeitabstand nicht im Wesentlichen gleich mit der ersten Frequenz oder mit der zweiten Frequenz, handelt es sich bei der Schwankungsfrequenz weder um die erste Frequenz noch um die zweite Frequenz.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Gesamtmesszeit vorzugsweise mindestens zweimal größer als die erste Periodendauer. Dies ist zweckmäßig, da sich eine Mehrzahl von Zeitabständen aus der Zeitreihe ermitteln lässt. Der Zeitabstand kann dabei sowohl eine Zeitdauer zwischen zwei aufeinander folgenden Maxima oder eine Zeitdauer zwischen zwei aufeinander folgenden Minima sein. Vorzugsweise ist das Erkennungsmerkmal ein insbesondere arithmetischer Mittelwert der Zeitabstände. Signalabweichungen aufgrund von Netzschwankungen oder von Änderungen der Messbedingungen, können dadurch berücksichtigt werden. Bei einer Netzfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz sind typische Netzschwankungen im Bereich von +/- 0,1 Hz. Weiterhin lässt sich dadurch die Genauigkeit der Messung erhöhen, was wiederum bedeutet, dass das Messzeitintervall erhöht werden kann.
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Das Identifizieren der Schwankungsfrequenz erfolgt bevorzugt durch einen Vergleich des Mittelwerts der Zeitabstände mit der ersten Periodendauer und mit der zweiten Periodendauer. Sind der Mittelwert und die erste Periodendauer im Wesentlichen gleich, wird die Schwankungsfrequenz als die erste Frequenz identifiziert. Sind der Mittelwert und die zweite Periodendauer im Wesentlichen gleich, wird die Schwankungsfrequenz als die zweite Frequenz identifiziert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante ist das Erkennungsmerkmal eine Anzahl der Maxima der optischen Leistung oder eine Anzahl der Minima der optischen Leistung in der Zeitreihe während der Gesamtmesszeit. Die Gesamtmesszeit ist dabei vorzugsweise mindestens dreimal größer, bevorzugt mindestens fünfmal größer und besonders bevorzugt mindestens zehnmal größer als die erste Periodendauer. Weiterhin kann die Gesamtmesszeit mindestens doppelt so groß wie das kleinste gemeinsame Vielfache der ersten Periodendauer und der zweiten Periodendauer sein. Vorzugsweise ist die Gesamtmesszeit größer oder gleich 100 ms. Der Anzahl der Minima und die Anzahl der Maxima während der Gesamtmesszeit sind gleich oder unterscheiden sich aufgrund einer Phasenverschiebung der optischen Leistung zum Startpunkt eines Messvorgangs höchstens um eins.
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Das Identifizieren der Schwankungsfrequenz erfolgt bevorzugt durch einen Vergleich eines Zahlenwertes des Erkennungsmerkmals, das heißt die Anzahl der Maxima oder die Anzahl der Minima, mit zwei Referenzwerten. Der erste Referenzwert ist bevorzugt ein erster Quotient, wobei der erste Quotient ein Verhältnis von der Gesamtmesszeit zu der ersten Periodendauer ist. Der zweite Referenzwert ist bevorzugt ein zweiter Quotient, wobei der zweite Quotient ein Verhältnis von der Gesamtmesszeit zu der zweiten Periodendauer ist. Ist ein Absolutwert einer Differenz zwischen dem Zahlenwert des Erkennungsmerkmals und dem ersten Quotienten kleiner als ein Absolutwert einer Differenz zwischen dem Zahlenwert des Erkennungsmerkmals und dem zweiten Quotienten, wird die Schwankungsfrequenz als die erste Frequenz identifiziert. Andernfalls wird die Schwankungsfrequenz als die zweite Frequenz identifiziert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante ist das Erkennungsmerkmal vorzugsweise ein Durchschnitt aus der Anzahl der Minima und der Anzahl der Minima. Das Identifizieren der Schwankungsfrequenz erfolgt bevorzugt durch einen Vergleich des Durchschnitts mit dem ersten Quotienten und mit dem zweiten Quotienten. Ist ein Absolutwert einer Differenz zwischen dem Durchschnitt und dem ersten Quotienten kleiner als ein Absolutwert einer Differenz zwischen Durchschnitt und dem zweiten Quotienten, wird die Schwankungsfrequenz als die erste Frequenz identifiziert. Andernfalls wird die Schwankungsfrequenz als die zweite Frequenz identifiziert.
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Durch die Wahl des Durchschnitts als das Erkennungsmerkmal wird eine mögliche Abweichung zwischen der Anzahl der Maxima und der Anzahl der Minima innerhalb der Gesamtmesszeit berücksichtigt, wodurch die Genauigkeit der Identifizierung erhöht wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung werden vorzugsweise zumindest drei erste optische Periodenenergien des Umgebungslichts gemessen. Die erste optische Periodenenergie ist eine über ein erstes Messzeitintervall aufintegrierte optische Leistung, wobei das erste Messzeitintervall die erste Periodendauer ist. Bei einer Darstellung des zeitlichen Verlaufs der optischen Leistung in einem Diagramm mit einer Zeitachse entspricht die erste Periodenenergie einer Fläche unterhalb des Kurvenverlaufs der optischen Leistung während der ersten Periodendauer. Wegen des langen Messzeitintervalls ist das Verfahren relativ unempfindlich gegenüber Netzfrequenzschwankungen. Auch werden dadurch Störungen höherfrequenter Lichtquellen wie Leuchtstofflampen ausgemittelt. Es ist auch denkbar, dass das erste Messintervall ein Mehrfaches der ersten Periodendauer ist. Beispielsweise ist das erste Messintervall das Zweifache oder das Dreifache der ersten Periodendauer.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante ist das Erkennungsmerkmal eine erste relative Energieabweichung. Die erste relative Energieabweichung ist ein Verhältnis von einer ersten absoluten Energieabweichung zu einer maximalen ersten Periodenenergie.
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Unter der ersten absoluten Energieabweichung wird im Rahmen der Anmeldung eine Differenz zwischen der maximalen ersten Periodenenergie und einer minimalen ersten Periodenenergie verstanden, wobei die maximale und die minimale erste Periodenenergie die größte beziehungsweise die kleinste Periodenenergie aus den gemessenen ersten Periodenenergien sind.
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Wenn die Schwankungsfrequenz die erste Frequenz ist, beträgt die erste relative Energieabweichung im Idealfall Null. Mit anderen Worten sind im Idealfall die zumindest drei gemessenen ersten Periodenenergien gleich.
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Zur Berücksichtigung von Messungenauigkeiten hat es sich als zweckmäßig erwiesen, zur Identifizierung der Schwankungsfrequenz die erste relative Energieabweichung mit einem Referenzwert der Energieabweichung zu vergleichen. Der Referenzwert der Energieabweichung ist vorzugsweise kleiner als 0,12, bevorzugt kleiner als 0,06 und besonders bevorzugt kleiner als 0,03. Ist die erste relative Energieabweichung kleiner als der Referenzwert der Energieabweichung, wird die Schwankungsfrequenz als die erste Frequenz identifiziert. Andernfalls wird die Schwankungsfrequenz als die zweite Frequenz identifiziert.
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Vorzugsweise werden genau drei Messungen durchgeführt, um die Schwankungsfrequenz als die erste Frequenz oder als die zweite Frequenz zu identifizieren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung werden vorzugsweise zumindest drei zweite optische Periodenenergien des Umgebungslichts gemessen. Die zweite optische Periodenenergie ist die über ein zweites Messzeitintervall aufintegrierte optische Leistung, wobei das zweite Messzeitintervall die zweite Periodendauer ist. Es ist auch denkbar, dass das zweite Messintervall ein Mehrfaches der zweiten Periodendauer ist. Beispielsweise ist das erste Messintervall das Zweifache oder das Dreifache der ersten Periodendauer.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante ist das Erkennungsmerkmal eine zweite relative Energieabweichung. Die zweite relative Energieabweichung ist ein Verhältnis von einer zweiten absoluten Energieabweichung zu einer maximalen zweiten Periodenenergie.
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Die zweite absolute Energieabweichung ergibt sich aus einer Differenz zwischen der maximalen zweiten Periodenenergie und einer minimalen zweiten Periodenenergie, wobei die maximale und die minimale zweite Periodenenergie die größte beziehungsweise die kleinste Periodenenergie aus den gemessenen zweiten Periodenenergien sind.
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Wenn die Schwankungsfrequenz die zweite Frequenz ist, beträgt die zweite relative Energieabweichung im Idealfall Null. Mit anderen Worten sind im Idealfall die zumindest drei gemessenen ersten Periodenenergien gleich.
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Das Identifizieren der Schwankungsfrequenz erfolgt durch einen Vergleich der zweiten relativen Energieabweichung mit dem Referenzwert der Energieabweichung. Ist die zweite relative Energieabweichung kleiner als der Referenzwert der Energieabweichung, wird die Schwankungsfrequenz als die zweite Frequenz identifiziert. Andernfalls wird die Schwankungsfrequenz als die erste Frequenz identifiziert.
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Es ist auch denkbar, dass sowohl die erste relative Energieabweichung als auch die zweite relative Energieabweichung größer als der Referenzwert der Energieabweichung sind. In diesem Fall ist die Schwankungsfrequenz weder die erste noch die zweite Frequenz.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung werden die erste optische Periodenenergie und die zweite optische Periodenenergie jeweils zumindest dreimal, besonders bevorzugt jeweils genau dreimal gemessen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante ist das Erkennungsmerkmal ein Abweichungsquotient. Der Abweichungsquotient ist ein Verhältnis von der ersten absoluten Energieabweichung zu der zweiten absoluten Energieabweichung.
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Das Identifizieren der Schwankungsfrequenz erfolgt bevorzugt durch einen Vergleich des Abweichungsquotienten mit einem Referenzwert des Abweichungsquotienten. Vorzugsweise beträgt der Referenzwert des Abweichungsquotienten zwischen einschließlich 0,5 und einschließlich 2. Besonders bevorzugt beträgt der Referenzwert des Abweichungsquotienten zwischen einschließlich 0,9 und einschließlich 1,5, beispielsweise 1,2. Es erweist sich als besonders zweckmäßig, als Referenzwert des Abweichungsquotienten 1 zu wählen.
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Wenn die Schwankungsfrequenz die erste Frequenz ist, ist die erste Periodendauer identisch mit dem Kehrwert der Schwankungsfrequenz. Folglich ist die erste Periodendauer gleich einer vollen Periode der periodischen Umgebungslichtschwankung. Demnach sind alle ersten gemessenen Periodenenergien unabhängig von einer Phasenverschiebung abgesehen von Messungenauigkeiten gleich. Die zweite Periodenenergie ist die über die zweite Periodendauer aufintegrierte optische Leistung des Umgebungslichts, wobei die zweite Periodendauer verschieden von der ersten Periodendauer ist. Demnach unterscheiden sich die insbesondere unmittelbar nacheinander gemessenen zweiten gemessenen Periodenenergien voneinander signifikant, da die gemessene zweite Periodenenergie nicht unabhängig von der Phasenverschiebung ist. Im Idealfall einer Messung ohne Messungenauigkeiten wäre die erste absolute Energieabweichung Null. Unter realen Messbedingungen ist zumindest zu erwarten, dass die erste absolute Energieabweichung kleiner als die zweite absolute Energieabweichung ist, so dass der Abweichungsquotient von der ersten absoluten Energieabweichung zu der zweiten absoluten Energieabweichung kleiner als 1 ist. Wenn dagegen die Schwankungsfrequenz die zweite Frequenz ist, ist ein Abweichungsquotient größer als 1 zu erwarten. Ist der Abweichungsquotient gleich 1, kann dies bedeuten, dass das Umgebungslicht keinen oder nur geringen Schwankungen unterlegt. Beispielsweise kann das Umgebungslicht an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen sein oder von einer natürlichen Lichtquelle wie der Sonne stammen.
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Zur Identifizierung der Schwankungsfrequenz wird vorzugsweise folgendes Kriterium herangezogen: Ist der Abweichungsquotient kleiner als der Referenzwert des Abweichungsquotienten, wird die Schwankungsfrequenz als die erste Frequenz identifiziert. Ist der Abweichungsquotient größer als der Referenzwert des Abweichungsquotienten, wird die Schwankungsfrequenz als die zweite Frequenz identifiziert.
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Vorzugsweise werden genau sechs Messungen durchgeführt, um die Schwankungsfrequenz als die erste Frequenz oder als die zweite Frequenz zu identifizieren. Es ist auch denkbar, dass die Anzahl der Messungen mehr als sechs beträgt, zum Beispiel acht, zwölf oder achtzehn.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung werden die erste optische Periodenenergie und die zweite optische Periodenenergie jeweils mindestens sechsmal gemessen. Aus den gemessenen Periodenenergien kann eine erste Standardabweichung der ersten Periodenenergien und eine zweite Standardabweichung berechnet werden. Die erste/zweite Standardabweichung ist dabei eine Maß für die Streuung der ersten/zweiten Periodenenergien um einen Mittelwert der ersten/zweiten gemessenen Periodenenergien.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante ist das Erkennungsmerkmal die Standardabweichung. Ist die erste Standardabweichung kleiner als die zweite Standardabweichung, wird die Schwankungsfrequenz als die erste Frequenz identifiziert. Andernfalls wird die Schwankungsfrequenz als die zweite Frequenz identifiziert.
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Zufällige Messungenauigkeiten werden mittels der Standardabweichung berücksichtigt, wodurch die Genauigkeit des Ergebnisses aus der Identifizierung erhöht wird.
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Ein Halbleiterbauelement umfasst gemäß einer Ausführungsform zumindest einen Signalempfänger zur Messung einer optischen Leistung des Umgebungslichts. Vorzugsweise enthält der Signalempfänger einen Photodetektor. Der Photodetektor wandelt das empfangene Umgebungslicht bevorzugt in ein elektrisches Signal um.
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Weiterhin umfasst das Halbleiterbauelement bevorzugt ein Steuerungsmodul. Im Betrieb des Halbleiterbauelements dient das Steuerungsmodul der Steuerung des Halbleiterbauelements. Beispielsweise wird ein Messvorgang der optischen Leistung des Umgebungslichts mittels des Steuerungsmoduls gesteuert. Vorzugsweise ist das Steuerungsmodul für die Erfassung und Analyse der gemessenen optischen Leistung beziehungsweise optische Energie des Umgebungslichts über die Gesamtmesszeit sowie für die Bestimmung zumindest eines Erkennungsmerkmals und für die Identifizierung der Schwankungsfrequenz als die erste Frequenz oder als die zweite Frequenz vorgesehen.
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Vorzugsweise ist das Steuerungsmodul zur Durchführung des weiter oben beschriebenen Verfahrens vorgesehen.
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Das Halbleiterbauelement umfasst außerdem einen Signalausgang. Der Signalausgang dient insbesondere der Übermittlung eines Ergebnisses aus der Identifizierung der Schwankungsfrequenz. Vorzugsweise liegt im Betrieb des Halbleiterbauelements ein Signal am Signalausgang vor. Dieses Signal enthält vorzugsweise das Ergebnis der Identifikation der Schwankungsfrequenz des Umgebungslichts in einer kodierten Form, insbesondere in einer digitalen Form oder in einer analogen Form, beispielsweise in Form eines Gleichspannungswerts.
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Es wird darüber hinaus eine Anzeigevorrichtung mit einem Halbleiterbauelement angegeben. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Halbleiterbauelement in die Anzeigevorrichtung integriert. Die Anzeigevorrichtung kann beispielsweise ein Display in einem Kraftfahrzeug sein.
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Es wird darüber hinaus ein mobiles elektronisches Gerät mit einem Halbleiterbauelement angegeben. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Halbleiterbauelement in das mobile elektronische Gerät integriert. Das mobile elektronische Gerät ist vorzugsweise ein Mobiltelefon oder ein Computer oder ein Tablet.
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Weitere Vorteile, bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens und des Halbleiterbauelements ergeben sich aus den in Verbindung mit den folgenden Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen.
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Es zeigen:
- 1 einen zeitlichen Verlauf einer normierten optischen Leistung eines Umgebungslichts mit einer Schwankungsfrequenz von 100 Hz beziehungsweise von 120 Hz,
- 2A einen schematischen Aufbau eines Halbleiterbauelements zur Identifizierung einer Schwankungsfrequenz,
- 2B ein Grundprinzip zur Bestimmung einer optischen Energie eines Umgebungslichts,
- 3A und 3B ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Identifizierung einer Schwankungsfrequenz,
- 4A, 4B, 5A, 5B und 5C jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Identifizierung einer Schwankungsfrequenz,
- 6 eine tabellarische Darstellung von Abweichungsquotienten aus einer Simulation für verschiedene Lampentypen bei einer Netzfrequenz von 50 Hz beziehungsweise 60 Hz.
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Die Figuren sind jeweils schematische Darstellungen und daher nicht unbedingt maßstabsgetreu.
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In der 1 ist ein Verlauf einer normierten optischen Leistung (PS) eines Umgebungslichts in Abhängigkeit von der Zeit (t) in Millisekunden (ms) dargestellt. Eine Kurve K1 beschreibt einen idealen periodischen zeitlichen Verlauf der normierten optischen Leistung eines Umgebungslichts mit einer Schwankenfrequenz (F), die einer ersten Frequenz (F1) von 100 Hz entspricht. Eine der ersten Frequenz zugehörige erste Periodendauer (P1) beträgt also 10 ms. Eine Kurve K2 beschreibt entsprechend einen idealen periodischen zeitlichen Verlauf der normierten optischen Leistung eines weiteren Umgebungslichts mit einer Schwankenfrequenz (F) von 120 Hz und einer zugehörigen zweiten Periodendauer (P2) von 8,33 ms. Die Kurven K1 und K2 weisen lokale Maxima (Lmax) und lokale Minima (Lmin) auf.
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Die im Folgenden in dieser Anmeldung beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich exemplarisch auf die erste Frequenz von 100 Hz und die zweite Frequenz von 120 Hz. Selbstverständlich können die erste Frequenz und die zweite Frequenz verschieden von 100 Hz beziehungsweise von 120 Hz sein.
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In der 2A ist ein schematischer Aufbau eines Halbleiterbauelements (1) zur Identifizierung einer Schwankungsfrequenz (F) eines Umgebungslichts (S) dargestellt.
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Das Halbleiterbauelement umfasst einen Signalempfänger (2). Der Signalempfänger (2) ist bevorzugt für die Messung einer optischen Leistung (PS) des Umgebungslichts (S) vorgesehen. Der Signalempfänger kann beispielsweise eine Photodiode oder ein Phototransistor enthalten. Weiterhin umfasst das Halbleiterbauelement ein Steuerungsmodul (3). Im Betrieb des Halbleiterbauelements dient das Steuerungsmodul (3) der Steuerung des Halbleiterbauelements (1). Das Halbleiterbauelement umfasst außerdem einen Signalausgang (4). Im Betrieb des Halbleiterbauelements liegt vorzugsweise ein Signal am Signalausgang (4) vor. Das Signal kann insbesondere die Information enthalten, ob eine Schwankungsfrequenz des Umgebungslichts vorliegt, oder kann ein Ergebnis aus der Identifizierung der Schwankungsfrequenz (F) des Umgebungslichts (S) in einer kodierten Form, beispielsweise in digitaler oder in analoger Form enthalten. Weiterhin enthält der Signalausgang (4) vorzugsweise einen zusätzlichen Ausgang, bei dem Informationen zur Helligkeit des Umgebungslichts in einer kodierten Form vorliegen.
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In der 2B ist ein Prinzip für einen Messvorgang einer optischen Leistung eines Umgebungslichts während einer Gesamtmesszeit (T) anhand einer schematischen Darstellung einer optischen Leistung (PS) des Umgebungslichts als Funktion der Zeit (t) veranschaulicht.
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Über ein Messzeitintervall (Ti) wird eine Messung durchgeführt. Das Messzeitintervall (Ti) ist kleiner als eine erste Periodendauer (T1). Während einer Messung wird eine optische Leistung (PS) registriert und über das Messzeitintervall aufintegriert. Eine über das Messzeitintervall aufintegrierte optische Leistung (ETi) ist eine optische Energie während des Messzeitintervalls. Der Betrag dieser Energie (ETi) entspricht einer Fläche eines in 2B dargestellten Rechteckes, wobei eine horizontale Seite dieses Rechtecks das Messzeitintervall ist. Eine erste Periodenenergie (E1) ist die Summe aller aufintegrierten optischen Leistungen (ETi) während der ersten Periodendauer (T1) .
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Die sich über die Gesamtmesszeit ergebenden aufintegrierten optischen Leistungen (ETi) ergeben eine Zeitreihe, die in einer Form des in 1 dargestellten Diagramms darstellbar ist.
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In der 2B werden die Messungen unmittelbar hintereinander durchgeführt. Abgesehen davon können die Messungen in einem Messzeitabstand durchgeführt werden, wobei der Messzeitabstand eine Zeitdauer zwischen zwei aufeinander folgenden Messungen ist. Das Messzeitintervall (Ti) kann ebenfalls variabel gewählt werden. Insbesondere kann das Messzeitintervall identisch mit der ersten Periodendauer (T1) sein.
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Ein erstes Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Identifizierung einer Schwankungsfrequenz (F) eines Umgebungslichts (S) anhand einer vorgegebenen ersten Frequenz (F1) und einer vorgegebenen zweiten Frequenz (F2) ist in der 3A schematisch dargestellt.
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Im Schritt A) werden die erste Frequenz F1 = 100 Hz und die zweite Frequenz F2 = 120 Hz vorgegeben, was einer Netzfrequenz von 50 Hz beziehungsweise 60 Hz entspricht. Demzufolge ist die erste Periodendauer (P1) 10 ms und die zweite Periodendauer (P2) 8,33 ms.
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Im Schritt B) wird über eine Gesamtmesszeit (T) von 20 ms gemessen. Das Messzeitintervall (Ti) beträgt ein Zehntel der ersten Periodendauer (P1), das heißt Ti = 1 ms. Während der Gesamtmesszeit werden Messungen durchgeführt und die optische Leistung des Umgebungslichts beziehungsweise die über das Messzeitintervall (Ti) aufintegrierten optischen Leistungen (ETi) bestimmt. Bevorzugt ist die Anzahl der Messungen kleiner als 20. In 2B sind Messwerte (MW) aus einer Simulation für die aufintegrierten optischen Leistungen (ETi) dargestellt. Eine durchgezogene Kurve K3A stellt zum Vergleich mit den Messwerten (MW) einen idealen periodischen zeitlichen Verlauf der normierten optischen Leistung eines Umgebungslichts mit einer Schwankungsfrequenz F = 100 Hz dar.
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Im Schritt C) werden die aufintegrierten optischen Leistungen beziehungsweise die optische Leistung (PS) in einer Zeitreihe über die Gesamtmesszeit (T) erfasst. In der 3A ist die Zeitreihe in Form eines Diagramms mit einer normierten optischen Leistung des Umgebungslichts über die Zeit (t) in Millisekunden (ms) dar.
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Im Schritt D) wird ein Erkennungsmerkmal in der Zeitreihe ermittelt. Das Erkennungsmerkmal ist ein Zeitabstand (P) zwischen zwei aufeinander folgenden Maxima (Lmax) der gemessenen optischen Leistung in der Zeitreihe.
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Das Identifizieren der Schwankungsfrequenz (F) des Umgebungslichts im Schritt E) erfolgt durch einen Vergleich des Zeitabstands (P) mit der ersten Periodendauer (P1) und die zweite Periodendauer (P2). Der in der 3A ermittelte Zeitabstand (P) beträgt circa 10 ms und ist somit im Wesentlichen gleich mit der ersten Periodendauer (P1). Folglich wird die Schwankungsfrequenz des Umgebungslichts als die erste Frequenz F1 = 100 Hz identifiziert.
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Das in der 3B dargestellte Ausführungsbeispiel ist im Wesentlichen das in der 3A dargestellte Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu wird festgestellt, dass der ermittelte Zeitabstand und der ermittelte Mittelwert der Zeitabstände jeweils circa 8,3 ms sind, so dass die Schwankungsfrequenz (F) als die zweite Frequenz F2 = 120 Hz identifiziert wird. Zum Vergleich mit den Messwerten (MW) der optischen Leistung stellt eine durchgezogene Kurve K3B einen idealen periodischen zeitlichen Verlauf der normierten optischen Leistung eines Umgebungslichts mit einer Schwankungsfrequenz F = 120 Hz dar.
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Alternativ kann das Erkennungsmerkmal ein Zeitabstand (P) zwischen zwei aufeinander folgenden lokalen Mimima (Lmin) der gemessenen optischen Leistung oder ein Mittelwert (PM) der Zeitabstände (P) sein. In der 3B kann der Zeitabstand (P) in der Zeitreihe zweimal ermittelt werden. Der Mittelwert (PM) der Zeitabstände (P) kann gebildet werden. Der Zeitabstand und der Mittelwert (PM) betragen jeweils circa 10 ms, so dass im Schritt E) die Schwankungsfrequenz (F) des Umgebungslichts als die erste Frequenz F1 = 100 Hz identifiziert wird.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Identifizierung einer Schwankungsfrequenz (F) ist in der 4A schematisch dargestellt. Die Schritte A) bis C) entsprechen im Wesentlichen den Schritten A) bis C) des in der 3A dargestellten ersten Ausführungsbeispiels. Im Unterschied hierzu sind die Gesamtmesszeit (T) und das Messzeitintervall (Ti) 100 ms beziehungsweise 2 ms. Bevorzugt ist die Anzahl der Messungen kleiner als 50.
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Im Schritt D) wird das Erkennungsmerkmal als eine Anzahl der Maxima (Nmax) der optischen Leistung während der Gesamtmesszeit (T) in der Zeitreihe ermittelt.
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Nmax ist die Gesamtanzahl der lokalen Maxima in der Zeitreihe und beträgt 10. Nmax wird im Schritt E) mit zwei Referenzwerten verglichen. Der erste Referenzwert ist ein erster Quotient (Q1), der ein Verhältnis von der Gesamtmesszeit T = 100 ms zu der ersten Periodendauer T1 = 10 ms ist und folglich 10 beträgt. Der zweite Referenzwert ist ein zweiter Quotient (Q2), der ein Verhältnis von der Gesamtmesszeit T = 100 ms zu der zweiten Periodendauer T2 = 8,33 ms ist und folglich 12 beträgt. Der Absolutwert einer Differenz zwischen Nmax und Q1 ist in diesem Fall Null und ist kleiner als der Absolutwert einer Differenz zwischen Nmax und Q2, welcher 2 ist, so dass die Schwankungsfrequenz (F) als die erste Frequenz F1 = 100 Hz identifiziert wird.
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Alternativ wird im Schritt D) das Erkennungsmerkmal als eine Anzahl der Minima (Nmin) der optischen Leistung während der Gesamtmesszeit (T) in der Zeitreihe ermittelt. Die Anzahl der Minima (Nmin) in der Zeitreihe beträgt 9. Die aufintegrierten Leistungen (ETi) aus der ersten Messung und aus der letzten Messung sind jeweils nicht als lokales Minimum anzusehen, da es keine Messungen davor beziehungsweise danach gibt, so dass nicht festgestellt werden kann, ob es sich bei diesen aufintegrierten Leistungen um lokale Minima handelt. Der Absolutwert einer Differenz zwischen Nmin und Q1 ist in diesem Fall 1 und ist kleiner als der Absolutwert einer Differenz zwischen Nmin und Q2, welcher 3 ist, so dass die Schwankungsfrequenz (F) als die erste Frequenz F1 = 100 Hz identifiziert wird.
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Alternativ kann im Schritt D) das Erkennungsmerkmal als ein Durchschnitt (NM) aus Nmin und Nmax ermittelt werden. Der Durchschnitt beträgt 9,5. Der Absolutwert einer Differenz zwischen dem Durchschnitt (NM) und Q1 ist in diesem Fall 0,5 und ist kleiner als der Absolutwert einer Differenz zwischen dem Durchschnitt und Q2, welcher 2,5 ist, so dass die Schwankungsfrequenz (F) als die erste Frequenz F1 = 100 Hz zu identifizieren ist.
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Abgesehen davon ist es auch denkbar, dass im Schritt D) das Erkennungsmerkmal als eine Anzahl der Mittelwertdurchgänge ermittelt wird.
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Das in der 4B dargestellte Ausführungsbeispiel ist im Wesentlichen das in der 4A dargestellte Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu wird festgestellt, dass Anzahl der Maxima 12 ist, die Anzahl der Minima 11 ist und der Durchschnitt aus Nmax und Nmin 11,5 ist, so dass die Schwankungsfrequenz (F) als die zweite Frequenz F2 = 120 Hz identifiziert wird.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Identifizierung einer Schwankungsfrequenz (F) ist in der 5A schematisch dargestellt. Die Schritte A) bis C) entsprechen im Wesentlichen den Schritten A) bis C) des in der 3A dargestellten ersten Ausführungsbeispiels. Im Unterschied hierzu ist das Messzeitintervall (Ti) ein erstes Messzeitintervall (T1), wobei T1 identisch mit der ersten Periodendauer P1 = 10 ms ist. Außerdem werden lediglich drei Messungen über das erste Messzeitintervall zur Bestimmung von drei ersten optischen Periodenenergien (E1) durchgeführt. In der 5A sind die drei ersten optischen Periodenenergien (E1) durch die jeweiligen Flächen unterhalb den Geradeabschnitten R1-R2, R2-R3 und R3-R4 dargestellt. Diese Flächen sind identisch mit den jeweiligen Flächen unterhalb den Kurvenabschnitten R1-R2, R2-R3 und R3-R4.
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Im Schritt D) wird das Erkennungsmerkmal als eine erste relative Energieabweichung (EA1) aus der Zeitreihe ermittelt.
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Die erste relative Energieabweichung ist ein Verhältnis von einer ersten absoluten Energieabweichung zu einer maximalen ersten optischen Periodenenergie (E1max) aus den drei Periodenenergien (E1). Die erste absolute Energieabweichung ist dabei eine Differenz zwischen der maximalen ersten Periodenenergie (E2max) und einer minimalen ersten optischen Periodenenergie (E1min) aus den drei Periodenenergien (E1). In einer Formel ausgedrückt ist EA1 = (E1max-E1min)/E1max.
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Das Identifizieren der Schwankungsfrequenz (F) erfolgt durch einen Vergleich der ersten relativen Energieabweichung (EA1) mit einem Referenzwert der Energieabweichung. Der Referenzwert der Energieabweichung ist beispielsweise 0,12. Es ist auch denkbar, dass der Referenzwert der Energieabweichung 0,06 oder 0,03 ist. Ist die erste relative Energieabweichung (EA1) kleiner als der Referenzwert der Energieabweichung, wird die Schwankungsfrequenz als die erste Frequenz F1 = 100 Hz identifiziert. Andernfalls wird die Schwankungsfrequenz als die zweite Frequenz F2 = 120 Hz identifiziert. In 5A sind die drei ersten Periodenenergie (E1) bis auf kleine Messabweichungen gleich. Folglich wird die Schwankungsfrequenz (F) als die erste Frequenz F1 = 100 Hz identifiziert.
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Ein in der 5B dargestelltes Ausführungsbeispiel ist im Wesentlichen das in der 5A dargestellten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu wird festgestellt, dass sich die drei ersten Periodenenergien (E1) deutlich von einander unterscheiden. Hier sind die drei ersten Periodenenergien (E1) durch die jeweiligen Flächen unterhalb den Geradeabschnitten R1-R1', R2-R2' und R3-R3' dargestellt. Die erste maximale Energieabweichung (E1max) unterscheidet sich signifikant von der ersten minimalen Energieabweichung (E1min), so dass die Schwankungsfrequenz (F) als die zweite Frequenz F2 = 120 Hz identifiziert wird.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Identifizierung einer Schwankungsfrequenz (F) eines Umgebungslichts ist in der 5C schematisch dargestellt.
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Analog wie bei dem in 5A dargestellten Ausführungsbeispiel werden die drei ersten Periodenenergien (E1) und eine erste absolute Energieabweichung ermittelt, wobei die erste absolute Energieabweichung eine Differenz zwischen der maximalen ersten Periodenenergie (E1max) und der minimalen ersten Periodenenergie (E1min) ist, das heißt E1max-E1min.
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Zusätzlich werden drei zweite Periodenenergien (E2) gemessen und eine zweite absolute Energieabweichung ermittelt. Die Gesamtanzahl der Messungen beträgt somit sechs. Die zweite Periodenenergie (E2) wird über ein zweites Messzeitintervall (T2) gemessen, wobei T2 identisch mit der zweiten Periodendauer P2 = 8,33 ms ist. Die zweite absolute Energieabweichung eine Differenz zwischen der maximalen zweiten Periodenenergie (E2max) und der minimalen zweiten Periodenenergie (E2min) ist, das heißt E2max-E2min.
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Weiterhin wird im Schritt D) das Erkennungsmerkmal als ein Abweichungsquotient ermittelt. Der Abweichungsquotient ist ein Verhältnis von der ersten absoluten Energieabweichung zu der zweiten absoluten Energieabweichung, das heißt (E1max - E1min)/(E2max - E2min).
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Im Schritt E) erfolgt das Identifizieren der Schwankungsfrequenz (F) des Umgebungslichts bevorzugt durch einen Vergleich des Abweichungsquotienten mit einem Referenzwert des Abweichungsquotienten. Der Referenzwert des Abweichungsquotienten ist dabei bevorzugt zwischen einschließlich 0,9 und einschließlich 1,5, beispielsweise 1,2.
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Ist der Abweichungsquotient kleiner als der Referenzwert des Abweichungsquotienten, wird die Schwankungsfrequenz (F) als die erste Frequenz F = 100 Hz identifiziert. Ist der Abweichungsquotient größer als der Referenzwert des Abweichungsquotienten, wird die Schwankungsfrequenz (F) als die zweite Frequenz F = 120 identifiziert. In dem vorliegenden Fall wird die Schwankungsfrequenz (F) als die erste Frequenz F = 100 Hz identifiziert.
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Die 6 zeigt in tabellarischer Form die Abweichungsquotienten aus einer Simulation für verschiedene Lampentypen bei einer Netzfrequenz von 50 Hz beziehungsweise 60 Hz. Die ersten sechs Lampen sind Energiesparlampen und die letzte Lampe ist eine Leuchtstofflampe.
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Diese Werte belegen, dass der Abweichungsquotient für die verschiedenen Lampentypen bei einer Netzfrequenz von 50 Hz jeweils signifikant kleiner als 1 und bei einer Netzfrequenz von 60 Hz signifikant größer als 1 ist. Eine Identifizierung der Schwankungsfrequenz von 100 Hz optisch entsprechend einer Netzfrequenz von 50 Hz oder eine Identifizierung der Schwankungsfrequenz von 120 Hz entsprechend einer Netzfrequenz von 60 Hz kann also zuverlässig erfolgen.
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Die vorliegende Anmeldung beschreibt ein Verfahren zur Identifizierung von Schwankungsfrequenz eines Umgebungslichts anhand einer vorgegebenen ersten Frequenz und einer vorgegebenen zweiten Frequenz. Es kann dabei erkannt werden, ob ein Umgebungslicht eine Schwankungsfrequenz aufweist, wobei die Schwankungsfrequenz einer vorgegebenen ersten Frequenz oder einer vorgegebenen zweiten Frequenz entspricht oder, dass die Schwankungsfrequenz verschieden von der ersten Frequenz und von der zweiten Frequenz ist. Die Messungen gemäß den verschiedenen Ausführungsvarianten können daher gezielt auf die voraussichtlich zu erwartenden erste Frequenz und zweite Frequenz hin abgestimmt werden. Dies vereinfacht die Messung und Auswertung im Vergleich mit herkömmlichen Verfahren, die beispielsweise Schwankungsfrequenzen mittels einer FourierTransformation des Signals ermitteln. Insbesondere können dadurch vergleichsweise große Messzeitintervalle Anwendung finden. Auch die Anzahl der benötigten Messungen zur Identifizierung einer Schwankungsfrequenz kann vergleichsweise signifikant reduziert werden. Zudem ist die Auswertung einfach und nicht rechenaufwendig ausgestaltet. Dies führt insbesondere dazu, dass ein Halbleiterbauelement zur Identifizierung von Schwankungsfrequenz gemäß solchem Verfahren kostensgünstig und mit wenig Aufwand hergestellt werden kann.