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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Änderung des Farborts des von einem LED-Modul emittierten sichtbaren Lichts sowie ein Steuermodul, das ausgelegt ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen, und insbesondere ein LED-Modul zum Betreiben wenigstens zweier LED-Strecken. Das Steuermodul ist dabei ausgehend von einer Versorgungsspannung (Wechselspannung/Gleichspannung) versorgbar und ausgehend davon sind die wenigstens zwei LED-Strecken mit jeweils wenigstens einer LED betreibbar. Vorzugsweise bilden die wenigstens zwei LED-Strecken und das LED-Modul zusammen mit dem Steuermodul eine Einheit, so dass diese Einheit in einer Lampe bzw. Leuchte verbaubar ist.
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Ziel der Erfindung ist es, eine Lösung bereitzustellen, die es erlaubt, einen Farbort bzw. eine Farbtemperatur des von den LED-Strecken abgegebenen Lichts dynamisch und graduell verändern zu können.
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Die Erfindung schlägt insbesondere vor, zwei prinzipiell gleichartige Weißlicht-LEDs, die jedoch eine unterschiedliche Farbtemperatur bzw. ein unterschiedliches Emissionsspektrum aufweisen, parallel oder alternierend zu betreiben.
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Beide LED-Strecken werden vorzugsweise mittels einer PWM-Modulation betrieben, wobei das Steuermodul dazu eingerichtet ist, ein Tastverhältnis der PWM-Modulationen zu verändern.
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Insbesondere kann das Steuermodul die Einschaltzeitdauer (Ton-Zeit) des PWM-Signals für jede der LED-Strecken separat verändern. Dadurch ist es möglich, die Einschaltzeitdauer der LED-Strecken zu beeinflussen, wobei es das Ziel ist, ein Flackern der LED-Strecken zu vermeiden und damit die Einschaltfrequenz, mit der ein PWM-Modul die LED-Strecken ansteuert, über der Schwelle von ca. 80 Hz, vorzugsweise 100 Hz, zu halten, ab der das Schalten für das menschliche Auge nicht mehr wahrnehmbar ist.
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Da die verwendeten LED-Strecken vorzugsweise verschiedene Farbtemperaturen aufweisen, kann durch Veränderung der Ton-Zeiten der LED-Strecken nun jede Farbtemperatur bzw. jeder Farbort eingestellt werden, der zwischen den Farborten der verwendeten LED-Strecken liegt.
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Dieses Einstellen des Farborts kann weiter mit einer Dimmfunktion kombiniert werden. So kann z. B. in bekannter Weise eine verhältnismäßig langsame Dimm-PWM-Modulation verwendet werden, deren Tastverhältnis einen Dimmwert vorgibt, d. h. einen Wert, auf den die LED-Strecken gedimmt werden sollen. Eine entsprechende Auswertung erfolgt durch das Steuermodul.
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Folgend auf diese Dimm-PWM-Modulation kann erfindungsgemäß die Farb-PWM-Modulation zur Farbtemperaturänderung erfolgen. Dabei kann vorgesehen sein, dass innerhalb der Einschaltzeitdauer des Dimm-PWM-Impulses der Dimm-PWM-Modulation der Dimm-PWM-Impuls aufgeteilt wird auf die wenigstens zwei parallelen LED-Strecken. D. h. dass die Einschaltzeitdauer des Dimm-PWM-Impulses die maximale Summe der Einschaltzeitdauern der LED-Strecken festlegt, die Einschaltzeitdauer des Dimm-PWM-Impulses also als zur Verfügung stehende Gesamteinschaltzeitdauer für die LED-Strecken aufgeteilt wird.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass ein gesamter Dimm-PWM-Impuls zur Ansteuerung einer der beiden LED-Strecken verwendet wird und dann das Tastverhältnis zur Temperaturwertänderung dadurch verändert wird, dass eine veränderbare Anzahl von Dimm-PWM-Impulsen auf die jeweils andere LED-Strecke geschaltet wird.
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So können die LED-Strecken von verschiedenen Stromquellen aus versorgt werden, die vorzugsweise als Konstantstromquellen Versorgungsströme unterschiedlicher Höhe für die LED-Strecken bereitstellen können. Bevorzugt ist jedoch lediglich eine Stromquelle auf die parallelen LED-Strecken schaltbar. Im Sinne der Erfindung schließt der parallele Betrieb den alternierenden Betrieb mit ein. Die LED-Strecken sind also parallel vorgesehen, können jedoch alternierend betrieben werden.
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Neben Weißlicht-LEDs können selbstverständlich auch farbige LEDs parallel geschaltet sein, und durch entsprechende Ansteuerung der LEDs kann die Farbtemperatur/der Farbort weiter verändert werden, insbesondere kann der Bereich, in dem die Farbtemperatur verändert werden kann, vergrößert werden.
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Durch Ansteuerung der unterschiedlichen parallelen LED-Strecken wird vorzugsweise jedoch stets Weißlicht erzeugt, wobei, wenn weitere farbige (z. B. rot, grün, blau) LED-Strecken parallel vorgesehen sind, durch die Farb-PWM-Modulation des Tastverhältnisses der Farbwiedergabeindex des entstehenden weißen Mischlichts verbessert werden kann.
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Zusammen mit der Veränderung der Tastverhältnisse einer ersten LED-Strecke, die z. B. ein ‘kaltes’ Licht (z. B. 3300 K bis 5300 K, insbesondere 4000 K, vorzugsweise über 5300 K, z. B. 6500 K) abstrahlt, und einer zweiten LED-Strecke, die z. B. ‘warmes’ Licht abstrahlt (z. B. unter 3000 K bis 3300 K), und die die Weißlichtstrecke darstellen, wird also entsprechend auch ein Tastverhältnis zwischen den farbigen LED-Strecken bzw. einer roten und einer grünen LED-Strecke verändert.
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Somit entsteht ein System aus beispielsweise vier LED-Strecken (z. B. wenigstens zwei Weißlicht-LEDs mit unterschiedlicher Farbtemperatur, einer grünen LED und einer roten LED), die es ermöglicht, verschiedene Farbtemperaturen einzustellen.
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Die Erfindung stellt also eine Vorrichtung und ein Verfahren bereit, wie es in den unabhängigen Ansprüchen beansprucht ist. Weitere Ausprägungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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In einem ersten Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zur Änderung des Farborts des von einem LED-Modul emittierten sichtbaren Lichts bereit, wobei das LED-Modul wenigstens zwei parallele LED-Strecken aufweist, die jeweils wenigstens eine LED aufweisen, wobei sich das Emissionsspektrum der LED-Strecken unterscheidet, und wobei die LED-Strecken abwechselnd mit Konstantstrom betrieben werden, und zur Farbortänderung das Verhältnis der Einschaltzeitdauern der LED-Strecken verändert wird, vorzugsweise unter Konstanthaltung der Summe der Einschaltzeitdauern sämtlicher LED-Strecken.
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Die Summe der Einschaltzeitdauern sämtlicher LED-Strecken kann durch ein Dimmsignal vorgegeben sein.
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Das Dimmsignal kann von dem Steuermodul dahingehend ausgewertet werden, dass das Dimmsignal eine Obergrenze einer Gesamteinschaltzeitdauer sämtlicher LED-Strecken einstellt.
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Die Einschaltzeitdauern der LED-Strecken können abhängig von einem Farbtemperaturänderungssignal eingestellt werden.
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Die LED-Strecken können Weißlicht-LED-Strecken sein.
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Die LED-Strecken können verschiedene Farbtemperaturen aufweisen.
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Wenigstens eine der LED-Strecken kann, vorzugsweise ausschließlich, rote, grüne und/oder blaue LEDs aufweisen.
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Die LED-Strecken können mit Konstantströmen unterschiedlicher Höhe, insbesondere ausgehend von unterschiedlichen Stromquellen, versorgt werden.
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Die LED-Strecken können ausgehend von einer einzigen Stromquelle versorgt werden.
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Die LED-Strecken können mittels eines Schaltelements alternierend ein- und ausgeschaltet werden.
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Es muss nicht zu jeder Zeit eine der LED-Strecken aktiv bzw. aktiviert sein. So kann es auch vorkommen, dass alle oder einzelne LED-Strecken zumindest zeitweise deaktiviert sind.
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Bei Zuführung des Farbtemperaturänderungssignals kann die Einschaltzeitdauer der LED-Strecken relativ zueinander verändert, insbesondere die Einschaltzeitdauer einer LED-Strecke verkürzt/verlängert und (indirekt) proportional dazu die Einschaltzeitdauer einer anderen LED-Strecke verlängert/verkürzt werden.
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Die LED-Strecken können auf einem LED-Modul angebracht sein.
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In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Steuermodul bereit, das dazu ausgelegt ist, ein Verfahren auszuführen, wie es vorstehend beschrieben ist.
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In noch einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Steuermodul bereit, mit wenigstens einem Eingang an dem ein Dimm- und/oder Farbtemperaturänderungssignal zuführbar ist und mit wenigstens einem Ausgang, von dem ausgehend wenigstens zwei LED-Strecken betreibbar sind, wobei das Steuermodul dazu eingerichtet ist, ein ihm zugeführtes Dimm- und/oder Farbtemperaturänderungssignal auszuwerten und abhängig zumindest von dem Farbtemperaturänderungssignal einen Farbort des von einem LED-Modul emittierten sichtbaren Lichts zu ändern, wobei das LED-Modul wenigstens zwei parallele LED-Strecken aufweist, die jeweils wenigstens eine LED aufweisen, wobei sich das Emissionsspektrum der LED-Strecken unterscheidet, und wobei das Steuermodul dazu ausgelegt ist, die LED-Strecken abwechselnd mit Konstantstrom zu betreiben, und zur Farbortänderung das Verhältnis der Einschaltzeitdauern der LED-Strecken zu verändern, vorzugsweise unter Konstanthaltung der Summe der Einschaltzeitdauern sämtlicher LED-Strecken.
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Das Steuermodul kann als Vorschaltmodul für ein LED-Modul ausgelegt und insbesondere dazu ausgelegt sein, einen Schalter des LED-Moduls in Abhängigkeit des Dimmsignals und/oder des Farbtemperaturänderungssignals zu steuern oder dem Konvertermodul ein Signal zuzuführen, das eine vom LED-Modul zu wählende Einstellung anzeigt.
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Das Steuermodul kann an dem LED-Modul angebracht sein.
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In wiederum einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein LED-Modul oder eine Leuchte mit einem Steuermodul bereit, wie es vorstehend beschrieben ist.
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Die Erfindung wird nunmehr auch mit Blick auf die Figuren beschrieben. Dabei zeigt:
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1 ein Toleranzdiagramm für ein Mischen bezüglich einer MacAdam 1 Ellipse.
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2 eine Ansteuerung zweier LED-Strecken ohne Dimmen.
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3 eine Ansteuerung zweier LED-Strecken mit Dimmen.
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4 schematisch einen Schaltungsaufbau.
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5 eine Ansteuerung zweier LED-Strecken mit Dimmen.
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6 schematisch ein Steuermodul gemäß der Erfindung.
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Die 1 zeigt ein Diagramm, das die Anforderungen hinsichtlich einer exakten Ansteuerung der LED-Strecken darstellt, um Toleranzanforderungen hinsichtlich einer MacAdam 1-Ellipse über den gesamten Dimmbereich (MA1 Tolerance Influence Elipse, 6500 K bis 2700 K Mischung) zu ermöglichen.
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Die Anforderungen daran, eine geringe Farbabweichung zu erreichen, sind sehr hoch. Insbesondere wird je Kanal lediglich eine Abweichung von ca. ±1,25% je Kanal bis zu einem Dimmwert von 1% erlaubt, um in der MacAdam 1-Ellipse zu bleiben. Ab einem Dimmwert von 1% sind höhere Toleranzen möglich. Hierbei bedeutet ein Dimmwert von 1% insbesondere ein Dimmen auf 1% der Lichtleistung, die ohne Dimmen emittiert wird.
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Die Erfindung stellt nun insbesondere zwei unterschiedliche Versorgungsströme für zwei LED-Strecken mit verschiedenen Farbtemperaturen bereit.
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In 2 ist gezeigt, wie der Strom bei einem Dimmwert von 100% (Verhalten bei einem Dimmwert von 100% bei c. a 4000 K; siehe 100% Schritte der Pulse [%]), d. h. bei voller Leistung ohne Dimmen, zwischen den LED-Strecken hin und her geschaltet wird.
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Die LED-Strecken werden dabei mit Versorgungsströmen unterschiedlicher Höhe versorgt. So wird eine LED-Strecke mit einem Versorgungsstrom von 100% betrieben (schwarze Kurve), während eine andere LED-Strecke mit einem Strom von ca. 130% betrieben wird (graue Kurve).
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Wenn die Ströme für die erste und die zweite LED-Strecke gleich sind, wäre auch die von den LED-Strecken abgegebene Leistung gleich. Dies kann erreicht werden, wenn die eine Stromsteuerung so erfolgt, dass der von den LED-Strecken abgegebene Lichtstrom bei der gewählten Zielfarbtemperatur gleich bleibt.
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Allgemein kann eine (relative) Stromveränderung zwischen den LED-Strecken verwendet werden, um den Lichtstrom auf einem Niveau zu halten, während mittels der Formeln (1) bestimmt wird wann eine LED-Strecke eingeschaltet wird (siehe Parameter k). So könnte der gleiche Versorgungsstrom für beide LED-Strecken verwendet werden.
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Da der Gesamtlichtstrom Φ gleichbleiben soll, muss die folgende Formel (2) zusammen mit den Formeln (1) gelöst werden. Φ = k·Φ1(I) + (1 – k)·Φ2(I) (2)
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Durch ein Lösen der Formeln (1) und (2) kann der Strom berechnet werden, der benötigt wird, um einen konstanten Lichtstrom zu erzeugen. Diese Berechnungen können in dem Steuermodul durchgeführt werden, z. B. durch eine IC, ASIC, oder einen Microcontroller.
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Durch Lösen der Formeln (1) wird auch ein Verhältnis definiert, in dem die LED-Strecken ein-/ausgeschaltet werden sollen.
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Wenn jedoch auf 5% der Leistung herunter gedimmt wird (bei Beibehaltung des Farborts/der Farbtemperatur des emitierten Lichts), stellt sich eine Situation dar, wie sie in 3 gezeigt ist (Verhalten bei einem Dimmwert von 5% bei c. a 4000 K; siehe Pulsbreite von ca. 5% auf der Pulse[%]-Achse).
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Wie in 3 gezeigt ist, ist die Einschaltzeitdauer der Ströme für die LED-Strecken sehr kurz. Aus diesme Grund muss eine Ansteuerung der LED-Strecken sehr exakt erfolgen, um einen bestimmten Farbwert/Farbort bzw. eine bestimmte Farbtemperatur zu erhalten, besonders wenn die LED-Strecken ausgehend von unterschiedlichen Stromquellen versorgt werden.
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Alternativ können deshalb auch, anders als bei den in 2 und 3 gezeigten Ausführungen, bei der je LED-Strecke eine Stromquelle vorgesehen ist (in den 1 sind die Stromverläufe von zwei Stromquellen gezeigt), die LED-Strecken ausgehend von lediglich einer Stromquelle betrieben werden.
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Bei mehreren Stromquellen erfolgt also eine Veränderung der Helligkeit dadurch, dass die Einschaltzeitdauer der Versogungsströme der LED-Strecken bei einem Dimmen unter Beibehaltung des Faborts/der Farbtemperatur im gleichem Maße reduziert werden. Somit wird insgesamt eine Reduzierung der Ausgabeleistung erreicht. Wie in 1 zusehen ist, ist bei 100% Dimmung daher die volle Helligkeit gegeben. Da insgesamt die LED-Strecken abwechselnd betrieben werden, wird zu jedem Zeitpunkt eine der LED-Strecken mit dem von der jeweiligen Stromquelle gelieferten Strom betrieben.
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In 3 ist hingegen die Einschaltzeitdauer für jeden der LED-Strecken-Ströme reduziert, sodass jeweils lediglich eine sehr kurze Einschaltzeitdauer gegeben ist, beispielsweise 5%, sodass sich die Helligkeit verändert.
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Soll nun eine Änderung des Farborts/der Farbtemperatur erfolgen, so sind die Einschaltzeitdauernen, mit denen die LED-Strecken angesteuert werden, relativ zueinander zu verändern. Wird beispielsweise die Einschaltzeitdauer des Versorgungsstromes für eine LED-Strecke verlängert, so wird gleichzeitig die Einschaltzeitdauer des Versorgungsstromes einer anderen LED-Strecke verkürzt. So ergibt sich jediglich eine Änderung der Farbtemperatur.
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Soll nun sowohl die Farbtemperatur verändert werden als auch der Helligkeitswert des abgegebenen Lichts, so sind beide Möglichkeiten zu kombinieren. Insbesondere ist also die Einschaltzeitdauer des Versorgungsstromes für die eine LED-Strecke (indirekt) proportional mit der Einschaltzeitdauer des Versorgungsstromes für die andere LED-Strecke zu verändern, wärend gleichzeitig die Einschaltzeitdauer der LED-Strecken insgesamt durch die Einschaltzeitdauer des Dimmsignals vorgegeben ist, d. h. die maximale Summe der Einschaltzeitdauern der LED-Strecken wird druch die Pulseweite der Dimm-PWM-Modulation bestimmt.
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Alternativ ist es, wie gesagt, vorgesehen, beide LED-Strecken über lediglich eine Stromquelle zu versorgen. Der prinzipielle Schaltungsaufbau ist dabei in 4 gezeigt. Der Versorgungsstrom der LED-Strecken wird hier mittels wenigstens eines Schaltelements ((Bipolar-)Transistor, FET, MOSFET) zwischen den LED-Strecken geschaltet.
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Da die LED-Strecken jeweils abwechselnd betrieben werden, gibt es im Prinzip keine Anforderung zwei Stromquellen bereit zu stellen. Insbesondere nicht bei einem Dimmwert von 100%.
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Wie in 4 gezeigt kann daher das Schaltelement vorgesehen sein, den Strompfad über die parallelen LED-Strecken von einer LED-Strecke zu einer anderen LED-Strecke zu schalten. Bei mehreren LED-Strecken ist entsprechend eine Änderung der Schaltung, also mehrerer Schalter vorzusehen.
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Bei einem Dimmwert von 100% legt dann die Schaltfrequenz des Schaltelements die Farbtemperatur fest, während der Lichtstrom mittels des Versorgungsstroms eingestellt wird. Bei gleichem Lichtstrom der LED-Strecken ist keine Veränderung nötig.
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Soll auf niedrigere Lichtströme herunter gedimmt werden, so ist zunächst die Einschaltzeitdauer des Dimm-PWM-Signals durch das Stueremodul zu ermitteln. Soll lediglich ein Helligkeitsdimmen erfolgen, so müssen, um die Farbtemperatur/den Farbort konstant zu halten, die Einschaltzeitdauern für die Kanäle relativ zu der Einschaltzeitdauer des Dimmsignals angepasst werden, wie es in 5 gezeigt ist.
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Insbesondere wird hier eine LED-Strecke innerhalb des Dimm-PWM-Signals für zwei Einschaltzeitdauern (Pulse) mit dem Versorgungsstrom versorgt, während die andere LED-Strecke für lediglich eine Einschaltzeitdauer (Puls) mit dem Versorgungsstrom versorgt wird.
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So kann ohne komplizierte Schaltung oder Abstimmung zweier Stromquellen durch Verwendung des Schaltelements die Farbtemperatur des abgegebenen Lichts konstant gehalten werden, während lediglich die Helligkeit verändert wird.
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Soll hingegen ebenfalls eine Änderung des Farbtemperaturpunktes erfolgen, so sind widerum die Einschaltzeitdauern der LED-Strecken relativ zueinander zu verändern und insbesondere die Einschaltzeitdauer des Versorungsstroms der einen LED-Strecke im Verhältnis zur Einschaltzeitdauer des Versorgungsstroms der anderen LED-Strecke zu verlängern oder zu verkürzen.
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Das erfindungsgemäße Steuermodul kann auch als Vorschaltmodul für ein LED-Modul vorgesehen sein. Insbesondere kann das Steuermodul in diesem Fall ein Dimmsignal, beispielsweise über einen DALI-Bus entgegennehmen und berechnen welche, Einschaltzeitdauer des Versorgungsstroms für die LED-Strecken gewählt werden muss, um einen entsprechenden Helligkeitswert einzustellen.
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Alternativ oder zusätzlich kann das Steuermodul berechnen, wie die LED-Strecken zu aktivieren sind, bei einem Dimmen innerhalb der Einschaltzeitdauer des Dimm-PWM-Signals, um eine Farbtemperatur einzustellen bzw. einen Farbort zu halten. Neben dem Dimmsignal oder alternativ dazu kann das Steuermodul also ein Signal entgegennehmen, das eine gewünschte Farbtemperaturänderung relativ oder absolut anzeigt.
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6 zeigt schematisch die Funktionsweise des Steuermoduls, wobei dem in 6 oben gezeigten Steuermodul SM1 ein PWM-Signal PWM-EIN, insbesondere ein Dimm-PWM-Signal, zugeführt wird. Das Steuermodul SM1 ist nun dazu eingerichtet, das zugeführte PWM-Signal PWM-EIN auszuwerten. Das Steuermodul SM1 gibt dann PWM-Signale PWM-AUS LED1 und PWM-AUS LED2 aus, die entweder direkt zur Ansteuerung der LED-Strecken verwendet oder durch ein Konverter- oder LED-Modul ausgewertet werden können.
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Dem in 6 unten gezeigten Steuermodul SM2 wird widerum ein PWM-Signal PWM-EIN, insbesondere ein Dimm-PWM-Signal, zugeführt. An einem Ausgang gibt das Steuermodul SM2 ein kombiniertes Signal PWM-AUS aus, das beispielsweise Pulse unterschiedlicher Stromhöhe aufweist. Dieses Ausgabe-Signal PWM-AUS kann entweder direkt zur Ansteuerung der LED-Strecken, z. B. über wenigstens ein Schaltelement, verwendet, oder durch ein Konverter- oder LED-Modul ausgewertet werden.
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Die gestrichelten Linien auf den Ausgabeseiten der Steuermodule SM1 und SM2 zeigen an, dass sich die Einschaltzeitdauern der ausgegebenen Signale innerhalb der Einschaltzeitdauer des PWM-Signals PWM-EIN bewegen.
