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Die Erfindung betrifft ein Leuchtmodul mit mindestens einem Farbkanal, wobei jeder der Farbkanäle mindestens eine Lichtquelle enthält. Die Erfindung betrifft auch ein Beleuchtungssystem mit einem entsprechenden Leuchtmodul.
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Die in Rede stehenden Leuchtmodule werden als Teil von Beleuchtungssystemen vor allem zur Ausleuchtung von Innenräumen von Fahrzeugen, insbesondere von Flugzeugen, verwendet. Der Innenraum ist insbesondere eine Passagierkabine des Flugzeugs. Derartige Beleuchtungssysteme weisen in der Regel eine Vielzahl von einzelnen Leuchtmodulen auf, wobei jedes der Leuchtmodule wiederum eine Vielzahl von Lichtquellen enthält. Ein Leuchtmodul kann üblicherweise Licht unterschiedlicher Farben und Helligkeiten erzeugen, wobei Farbe und Helligkeit während des Betriebs durch eine zentrale Steuer- und Auswerteeinheit des Beleuchtungssystems einstellbar beziehungsweise veränderbar sind.
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Als Lichtquellen werden zunehmend Leuchtdioden (LEDs) eingesetzt, insbesondere in Form von Mehrfarb-LED-Modulen. Diese enthalten z. B. je eine rote (R), grüne (G), blaue (B) und weiße (W) LED und können beliebige Mischfarben durch Steuerung der einzelnen Farbanteile erzeugen. Vor allem LEDs als Lichtquellen weisen oft bei gleichen Betriebsbedingungen Farb- und Helligkeitsunterschiede im erzeugten Licht auf. Für Beleuchtungssysteme besteht jedoch allgemein der Wunsch, dass sie bezüglich aller Leuchtmodule einheitliche Farben und Helligkeiten darstellen und zum anderen eine feine Granularität bieten. Die Granularität beschreibt, wie groß beziehungsweise lang ein einziges Leuchtmodul ist. Je kürzer und kleiner die Leuchtmodule ausgeführt sind, desto höher ist die Granularität und desto einfacher kann die Anordnung des Beleuchtungssystems den geometrischen Gegebenheiten am Montageort, z. B. im zu beleuchtenden Innenraum angepasst werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Leuchtmodul und ein verbessertes Beleuchtungssystem anzugeben.
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Hinsichtlich des Leuchtmoduls wird die Aufgabe gelöst durch ein Leuchtmodul gemäß Patentanspruch 1. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Das Leuchtmodul weist mindestens einen Farbkanal auf. Ein Farbkanal erzeugt dabei Licht einer bestimmten Farbe, in der Regel – insbesondere bei Verwendung von LEDs als Lichtquellen – einer Grundfarbe wie z. B. Rot, Grün, Blau oder Weiß. Jeder der Farbkanäle enthält mindestens eine Lichtquelle. Im Betrieb erzeugt das Leuchtmodul Licht einer beliebigen gewünschten Farbe durch Mischung verschiedener Anteile verschiedener Farbkanäle. Alle Lichtquellen eines Farbkanals weisen dann im Rahmen erlaubter Toleranzen die jeweilige gleiche Farbe auf. Das Leuchtmodul enthält einen Speicher. Im Speicher ist mindestens ein Kennwert mindestens einer der Lichtquellen oder mindestens ein Kennwert mindestens eines der Farbkanäle speicherbar. Der Kennwert kann sich also auf eine einzelne Lichtquelle oder auch auf eine Gruppe von Lichtquellen beziehen. Speicherbar bedeutet, dass in der Regel nach Fertigstellung oder im Betrieb des Leuchtmoduls ein Kennwert tatsächlich im Speicher gespeichert ist. Bezieht sich der Kennwert auf mehrere Lichtquellen, stellt dieser insbesondere einen Mittelwert der einzelnen Kennwerte einzelner Lichtquellen oder einen charakteristischen Wert dar, der für die betreffenden Lichtquellen gemeinsam gilt. Als Kennwert ist jeder Wert geeignet, der eine Eigenschaft der Lichtquelle beschreibt, z. B. den Farbort und die Helligkeit des von ihr erzeugten Lichts, Temperaturkoeffizienten ihres Temperaturverhaltens, eine geschätzte Lebensdauer usw.
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Die Erfindung beruht auf folgenden Erkenntnissen: Einheitliche Farben und Helligkeiten in einem Leuchtmodul erfordern einen Abgleich des Leuchtmoduls zu Beginn der Lebensdauer sowie eine Korrektur von Farbort und Helligkeit in Abhängigkeit der aktuellen Betriebstemperatur sowie dem Alter der Leuchtmodule. Um eine feine Granularität zu erreichen, ist es erforderlich, Lichtquellen, insbesondere LEDs, in möglichst kleinen Gruppen anzusteuern, d. h. pro einzeln ansteuerbarem Leuchtmodul möglichst wenige Lichtquellen einzusetzen. Durch eine feine Granularität wird auch die Homogenität innerhalb eines Leuchtmoduls optimiert. Heute übliche Leuchtmodule in Flugzeugen weisen z. B. eine Länge von ca. 30 cm auf und sind leistenförmig ausgeführt.
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Gemäß der Erfindung wird ein Leuchtmodul geschaffen, in welchem – neben der eigentlichen Lichtquelle eine zusätzliche Informationsquelle – in Form des Speichers beziehungsweise Kennwertes – integriert ist. Dies ermöglicht eine individuelle Ansteuerung und Korrektur der lichttechnischen Eigenschaften des Leuchtmoduls bereits auf Ebene der einzelnen Lichtquelle bzw. des Farbkanals. ”Individuell” bedeutet hier: für jede Lichtquelle oder jeden Farbkanal einzeln, jederzeit und unabhängig von anderen Lichtquellen oder Farbkanälen des Leuchtmoduls und unabhängig von anderen Leuchtmodulen.
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Zum Beispiel kann eine außerhalb des Leuchtmoduls angeordnete, das Leuchtmodul ansteuernde Steuer- und Auswerteeinheit die Informationen zu einzelnen Lichtquellen aus den Speichern der Leuchtmodule verwerten und spezifische Betriebsparameter bzw. Steuersignale für jede einzelne Lichtquelle beziehungsweise jeden Farbkanal aller Leuchtmodule individuell ermitteln. Der Betriebsparameter ist ein insbesondere ein Parameter, der Farbort und/oder Helligkeit einer Lichtquelle, eines Farbkanals oder des Leuchtmoduls bestimmt bzw. beeinflusst. Insbesondere sind dies z. B. Strom und/oder Spannung für eine Lichtquelle und/oder ein Tastverhältnis und/oder ein Muster einer PWM-Ansteuerung (Pulsweitenmodulation) der Lichtquelle oder ein Verstärkungsfaktor eines die Lichtquelle versorgenden Leistungstreibers. Die Lichtquellen werden dann anhand dieser Steuersignale individuell betrieben. Dadurch kann auf Abweichungen einzelner Lichtquellen gesondert eingegangen werden. Außerdem wird so eine feine Granularität erreicht, da einzelne Lichtquellen individuell ansteuerbar sind und die Leuchtmodule daher nur wenige Lichtquellen enthalten können. Insbesondere kann z. B. in jedem Leuchtmodul ein entsprechender RGBW-Anteil individuell gewählt werden, um bei voneinander abweichender Farbörtern gleicher Farbkanäle zwischen Leuchtmodulen dennoch Licht gleicher Farbe in allen Leuchtmodulen eines Beleuchtungssystems zu mischen. Das Leuchtmodul kann bezüglich seiner Länge daher variabel gestaltet werden, da die Anzahl der Lichtquellen, die nötig ist, um homogene Beleuchtungsverhältnisse zu erreichen, nicht mehr festgeschrieben ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Lichtquelle eine LED. Gerade bei LEDs streuen Farbort und Helligkeit des von ihnen ausgesendeten Lichts zwischen einzelnen Exemplaren oft derart, dass von Betrachtern Unterschiede im Lichtverhalten zwischen einzelnen Exemplaren deutlich wahrnehmbar sind. Gerade bei Leuchtdioden muss daher eine sorgfältige Auswahl der Einzellichtquelle erfolgen beziehungsweise ein Abgleich verschiedener Lichtquellen innerhalb eines Leuchtmoduls oder innerhalb eines Beleuchtungssystems erfolgen. Hierzu sind die Kennwerte besonders hilfreich. Gemäß der Erfindung sind Kennwerte einzelner Lichtquellen beziehungsweise Farbkanäle direkt zusammen mit der entsprechenden Lichtquelle im Leuchtmodul integriert, sodass die entsprechenden Informationen stets zusammen mit der Lichtquelle zur Verfügung stehen und verwendet beziehungsweise ausgewertet werden können.
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In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Leuchtmodul eine Kommunikationsschnittstelle. Die Kommunikationsschnittstelle ist insbesondere seriell und/oder drahtlos ausgeführt. Die Kommunikationsschnittstelle erlaubt eine Kommunikation mit dem Speicher von außerhalb des Leuchtmoduls, z. B. von einer Steuer- und Auswerteeinheit des Beleuchtungssystems aus. Über die Kommunikationsschnittstelle ist also ein Beschreiben und/oder Auslesen des Speichers im Leuchtmodul, optional auch eine Kommunikation mit sonstigen zusätzlichen Elementen des Leuchtmoduls möglich. Zum Beispiel kann die Ansteuerung eines auf dem Leuchtmodul integrierten PWM-Generators oder das Auslesen eines auf dem Leuchtmodul integrierten Temperatursensors erfolgen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält das Leuchtmodul einen Leistungstreiber. Der Leistungstreiber dient zur Ansteuerung mindestens einer der Lichtquellen oder mindestens eines der Farbkanäle. Dank des Leistungstreibers kann die Lichtquelle oder der Farbkanal über weite Distanzen mit einem leistungsschwachen (in der Regel zeitveränderlichen, z. B. PWM-)Logiksignal angesteuert werden. Erst vor Ort im Leuchtmodul wird das Logiksignal dann in das Leistungssignal verstärkt. Das Steuersignal verursacht dann keine nennenswerten EMV-Störungen (Elektromagnetische Verträglichkeit) auf dem Weg zum Leuchtmodul. Der Leistungstreiber im Leuchtmodul ist lediglich mit einer Gleichleistung von außerhalb des Leuchtmoduls zu versorgen, weshalb auch diese Versorgung keine nennenswerten EMV-Probleme verursacht. Auch können so verschiedene Lichtquellen innerhalb eines Leuchtmoduls und auch zwischen Leuchtmodulen individuell mit unterschiedlicher Leistung betrieben werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält das Leuchtmodul einen PWM-Generator. Der PWM-Generator im Leuchtmodul bietet den Vorteil, dass innerhalb jedes Leuchtmoduls z. B. jede einzelne Lichtquelle oder jeder einzelne Farbkanal mit Hilfe des diesem zugeordneten PWM-Generators über ein individuelles PWM-Muster ansteuerbar ist. So sind sowohl innerhalb eines Leuchtmoduls als auch zwischen Leuchtmodulen verschiedene Tastverhältnisse oder PWM-Muster für einzelne Lichtquellen individuell möglich. Diese können auch jederzeit individuell verändert und angepasst werden. So kann insbesondere durch eine individuelle Farbmischung aus den Farbkanälen des Leuchtmoduls erreicht werden, dass im Ergebnis das Leuchtmodul ein Licht mit einem gewünschten Farbort oder gewünschter Helligkeit abstrahlt. Die Farbmischung und Helligkeit können für jedes Leuchtmodul in einem Beleuchtungssystem individuell eingestellt werden. So können alle Leuchtmodule im Beleuchtungssystem farbgleich und gleich hell eingestellt werden, obschon z. B. gleiche Farbkanäle unterschiedlicher Leuchtmodule unterschiedliche Farbörter aufweisen. Auch ist hierdurch wieder eine feine Granularität erreichbar, da die Anzahl der Lichtquellen pro Leuchtmodul klein gewählt werden kann, ohne Farbabweichungen im Beleuchtungssystem hinnehmen zu müssen. Insgesamt ergibt sich eine sehr gute Homogenität innerhalb des Leuchtmoduls, aber auch zwischen Leuchtmodulen. Lichtquellen, insbesondere LEDs, können aus einem Herstellerlos mit größerer erlaubter Abweichung zwischen einzelnen Lichtquellen entnommen werden, da spezifische Korrekturen durch lokale PWM-Generatoren möglich sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Kennwert ein Farbkoordinatenwert oder ein Helligkeitswert oder ein PWM-ON-Wert oder ein Temperaturkoeffizient oder ein Binning-Wert einer Lichtquelle oder eines Farbkanals des Leuchtmoduls. Der PWM-ON-Wert ist derjenige Wert, welcher das minimale Tastverhältnis für eine PWM-Ansteuerung der Lichtquelle oder des Farbkanals angibt, bei welchem diese überhaupt Licht abstrahlen, und ist vor allem für LEDs als Lichtquellen interessant. Der Binning-Wert gibt Auskunft über einen bestimmten Farbort und/oder eine bestimmte Helligkeit der Lichtquelle, der innerhalb enger Toleranzen eingehalten wird. Insbesondere werden LEDs nach der Produktion hinsichtlich ihrer tatsächlichen Lichteigenschaften vermessen und einer bestimmten einer Anzahl von Gruppen (Bins) zugeordnet, wobei innerhalb des jeweiligen Bins in der Regel Farb- oder Helligkeitsabweichungen von einem Betrachter nicht mehr wahrnehmbar sind. Durch die Verwendung der speziellen Kennwerte kann im Speicher eines Leuchtmoduls pro Lichtquelle beziehungsweise pro Lichtkanal ein üblicher Kalibrierdatensatz insbesondere mit Kalibrierdaten des Lichtquellenherstellers gespeichert bzw. vorgehalten werden, welcher die entsprechende Lichtquelle im Leuchtmodul ausreichend genau beschreibt. Gemäß der Erfindung ergibt sich ein geringerer Kalibrieraufwand, da beispielsweise die exakten Farbkoordinaten oder PWM-ON-Werte von LEDs bereits beim LED-Hersteller gemessen und dann in den entsprechenden Speicher geschrieben werden können.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält das Leuchtmodul eine Mehrfarblichtquelle. Die Mehrfarblichtquelle enthält mindestens zwei einzelne Lichtquellen unterschiedlicher Lichtfarben. Insbesondere ist die Mehrfarblichtquelle eine Mehrfarb-LED-Anordnung, insbesondere eine RGB- oder RGBW-LED-Anordnung. Jede der einzelnen Lichtquellen wird dann einem jeweiligen Farbkanal zugeordnet. Werden beispielsweise mehrere Mehrfarblichtquellen im Leuchtmodul eingesetzt, werden sämtliche R-Lichtquellen zu einem R-Farbkanal zusammengefasst, sämtliche G-Lichtquellen zu einem G-Farbkanal usw.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Leuchtmodul einen Temperatursensor. Da die Lichteigenschaften von Lichtquellen, insbesondere LEDs, in der Regel von der Temperatur der Lichtquelle bzw. des Leuchtmoduls abhängen, kann so die aktuelle Temperatur erfasst werden und die Lichtquellen jederzeit entsprechend geeignet individuell angesteuert werden, um über der Temperatur Farbkonstanz oder Helligkeitskonstanz zu erreichen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Leuchtmodul mindestens einen optischen Sensor für mindestens eine der Lichtquellen. Der optische Sensor ermittelt insbesondere Helligkeit und Farbort des vom Leuchtmodul oder einem Farbkanal oder einer einzelnen Lichtquelle erzeugten Lichts. Abweichungen von einem Soll-Farbort oder einer Soll-Helligkeit können so korrigiert werden. Dies kann innerhalb oder außerhalb des Leuchtmoduls erfolgen. Die Messwerte des optischen Sensors können z. B. über die Kommunikationsschnittstelle ausgelesen und weiter verarbeitet werden. So ist eine unmittelbare Kontrolle des vom Leuchtmodul erzeugten Lichts möglich und gegebenenfalls kann Helligkeit und Farbort nachgesteuert beziehungsweise nachgeregelt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Leuchtmodul einen Betriebsstundenzähler und/oder einen Leerlauf-/Kurzschlussdetektor. So können im Leuchtmodul Diagnoseinformationen gewonnen werden. Z. B. können im Leuchtmodul die Betriebsstunden einzelner Lichtquellen verfolgt werden, über die Kommunikationsschnittstelle ausgelesen und zu Wartungszwecken verwendet werden. Der Leerlauf- beziehungsweise Kurzschlussdetektor dient dazu, Leerlauf oder Kurzschluss einzelner Lichtquellen im Leuchtmodul oder auch des gesamten Leuchtmoduls zu erfassen und beispielsweise über die Kommunikationsschnittstelle an die zentrale Steuer- und Auswerteeinheit zu melden. Entsprechend defekte oder von einem Defekt bedrohte Leuchtmodule oder Lichtquellen können so zielgerichtet ausgetauscht bzw. repariert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Speicher einen Hauptspeicher und einen Hilfsspeicher. Je nach Relevanz der entsprechenden Kennwerte sind diese im Hauptspeicher oder im Hilfsspeicher speicherbar. Beispielsweise sind die für die unmittelbare Helligkeits- und Farbortsteuerung relevanten Kennwerte im Hauptspeicher gespeichert. Sonstige Kennwerte, z. B. für die Defektüberwachung sind z. B. im Hilfsspeicher gespeichert. Auch können im Hilfsspeicher z. B. Temperaturverläufe gespeichert oder die Betriebsstunden einzelner Lichtquellen dokumentiert werden.
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Hinsichtlich des Beleuchtungssystems wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch ein Beleuchtungssystem gemäß Patentanspruch 12. Dieses enthält mindestens ein erfindungsgemäßes Leuchtmodul. Das Leuchtsystem enthält außerdem eine zentrale Steuer- und Auswerteeinheit. Diese ist dazu ausgebildet, mindestens einen Betriebsparameter – wie oben erläutert – für mindestens eine Lichtquelle eines der Leuchtmodule zu ermitteln. Die Ermittlung erfolgt dabei auf Basis mindestens eines der Kennwerte der jeweiligen Lichtquelle, welche im zugehörigen Speicher des betreffenden Leuchtmoduls gespeichert sind. Die ermittelten Betriebsparameter werden dann den Leuchtmodulen zur Verfügung gestellt bzw. dort zum Betrieb benutzt. Die Übermittlung erfolgt z. B. direkt durch die Steuer- und Auswerteeinheit an das Leuchtmodul, z. B. über die Kommunikationsschnittstelle. Wie oben bereits erläutert, erlaubt die zentrale Steuer- und Auswerteeinheit dadurch, einzelne Lichtquellen beziehungsweise Leuchtmodule durch individuelle Betriebsparameter derart anzusteuern, dass die Leuchtmodule im Beleuchtungssystem in Summe Licht mit gewünschtem, insbesondere einheitlichem, Farbort und Helligkeit erzeugen und somit ein feingranulares und homogenes Beleuchtungssystem geschaffen werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuer- und Auswerteeinheit dazu ausgebildet, mit den Kommunikationsschnittstellen der Leuchtmodule zu kommunizieren. So können sämtliche über die Schnittstelle in beide Richtungen übertragbaren Informationen, insbesondere der Inhalt des Speichers oder des Temperatursensors, direkt von der Steuer- und Auswerteeinheit vom Leuchtmodul gelesen werden. Auch können über die Schnittstelle Informationen an das Leuchtmodul übertragen werden, z. B. der Speicher beschrieben oder ein PWM-Generator bezüglich seiner PWM-Charakteristik oder ein Leistungstreiber bezüglich seiner Leistung angesteuert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuer- und Auswerteeinheit dazu ausgebildet, die Betriebsparameter aller Leuchtmodule derart zu ermitteln, dass alle Leuchtmodule im Betrieb Licht gleicher Farbe und/oder Helligkeit erzeugen. So kann ein vollständig homogenes Beleuchtungssystem geschaffen werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuer- und Auswerteeinheit dazu ausgebildet, im Betrieb die Betriebsparameter bzw. daraus abgeleitete Signale mit den Leuchtmodulen nur über leistungsschwache Kommunikationssignale zu kommunizieren, wobei die Leuchtmodule zur Leistungsversorgung über hiervon getrennte leistungsstarke Leistungssignale versorgt sind. Die Wege zwischen Steuer- und Auswerteeinheit und Leuchtmodulen können durchaus lang sein, z. B. ein Flugzeug über einen weiten Längenbereich durchlaufen. Die Übertragung leistungsstarker elektrischer Wechselsignale kann dabei EMV-Probleme verursachen. Gemäß der Ausführungsform sind jedoch nur die Kommunikationssignale elektrische Wechselsignale, die EMV-Störungen verursachen können. Diese sind jedoch leistungsschwach und verursachen daher keine nennenswerten EMV-Probleme. Die Leistungssignale sind in der Regel elektrische Gleichsignale, die ohnehin keine dynamischen EMV-Störungen verursachen. So werden EMV-Störungen im Beleuchtungssystem insgesamt minimiert.
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Die Aspekte der Erfindung einschließlich bevorzugter Ausführungsformen lassen sich wie folgt zusammenfassen:
Das erfindungsgemäße Leuchtmodul kann auch als „Smart-LED” bezeichnet werden, wenn die Lichtquelle eine Leuchtdiode ist.
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Gemäß der Erfindung werden im Leuchtmodul zusätzliche Informationen und Funktionen integriert, welche Ansteuerung und Korrektur der lichttechnischen Eigenschaften der Lichtquellen bereits auf Ebene der einzelnen Lichtquelle ermöglichen.
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Die Erfindung beschreibt ein Leuchtmodul bzw. eine Lichtquelle, insbesondere LED (ein oder mehrfarbig) mit integrierter Intelligenz, welche spezifische Informationen und Funktionalitäten für eine einzelne LED innerhalb eines Leuchtmoduls bzw. einer Leuchte bereitstellt. Dies ermöglicht es, jede LED einzeln individuell zu steuern und dabei auf die für jede einzelne LED spezifischen Eigenschaften (z. B. Binning, Farb-/Helligkeitsabweichungen) und Umgebungsparameter (z. B. Temperatur) einzugehen.
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Im Leuchtmodul bzw. in der ”Smart-LED” werden ein oder mehrere Dies (Ein Die ist der eigentliche leuchtaktive Teil einer Leuchtdiode, dieser ist einem Farbkanal zugeordnet) und zusätzliche Funktionen (Temperatursensor, PWM-Generator) und Informationsquellen (Speicher mit Kenndaten) integriert, welche die Ansteuerung und Korrektur der lichttechnischen Eigenschaften bereits auf Ebene der einzelnen LED ermöglichen.
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Eine zentrale Steuereinheit im Beleuchtungssystem kann die Informationen der einzelnen LEDs erfassen und spezifische bzw. individuelle Steuersignale bzw. Betriebsparameter für jede einzelne LED berechnen. Dadurch erreicht man eine feine Granularität und kann auf Abweichungen der einzelnen LEDs gesondert eingehen.
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Die Erfindung bietet den Vorteil eines geringeren Kalibrieraufwandes, da exakte Farbkoordinaten und PWM-ON-Werte der LEDs bereits beim LED-Hersteller gemessen und in den Speicher geschrieben werden können. Es können einzelne LEDs individuell angesteuert werden, was eine feine Granularität ermöglicht. Abweichungen einzelner LEDs können gesondert und individuell behandelt werden, was zu einer sehr guten Homogenität im Leuchtmodul und im Beleuchtungssystem führt. Bisher mussten LEDs mit kleinen Farb- und Helligkeitsabweichungen verwendet werden, um eine homogene Beleuchtung zu schaffen. Nun können LEDs aus einem Hersteller-Los mit größerer erlaubter Abweichung entnommen werden, da spezifische Korrekturen in Lichtfarbe und Helligkeit möglich sind. Die LEDs werden über eine EMV-optimierbare Kommunikationsschnittstelle gesteuert, wodurch Störabstrahlung durch Leistungsleitungen, die PWM-modulierte Leistungssignale führen, vermieden werden.
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Es erfolgt die Integration mehrerer Funktionen in einer ”Smart-LED”. Die Erfindung zeichnet sich durch die besondere Art der Funktions- und Informationsblöcke aus, welche zusammen mit dieser im Leuchtmodul beziehungsweise im Beleuchtungssystem integriert sind. Die Erfindung ist insbesondere auf alle LED-Beleuchtungssysteme anwendbar.
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Das Leuchtmodul kann eine oder mehrere gleichartige oder verschiedenartige Dies enthalten, die in einem oder mehreren Farbkanälen organisiert sind. Dabei sind ein oder mehrere LED-Dies pro Kanal möglich. Mehrere Dies bewirken eine Steigerung der Effizienz des Systems, da das Leuchtmodul stets bestimmte Komponenten (z. B. Kommunikationsschnittstelle, Temperatursensor) aufweist, diese aber von allen Dies des Leuchtmoduls gemeinsam genutzt werden und somit bei mehreren Dies der Aufwand pro Die sinkt. Ein oder mehrere der im Leuchtmodul vorhandenen Komponenten wie beispielsweise Speicher, PWM-Generator können dann für eine größere Anzahl von LED-Dies benutzt werden. Pro Farbkanal kann ein Leistungselektronik-Teil (Leistungstreiber), ein PWM-Generator, und ein Kalibrierdatensatz vorgesehen werden. Letzterer enthält z. B. die Farbörter der LEDs in einem Lu'v' oder ähnlichem System und PWM-ON-Werte. Der Kalibrierdatensatz kann bereits beim Hersteller oder in der Leuchten-Fertigung in den Speicher geschrieben werden. Pro Kanal ein spezifischer Satz Temperatur-Koeffizienten vorgesehen werden.
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Im Leuchtmodul kann ein Temperatur Sensor, pro Farbkanal ein LED-ON-Counter (Betriebsstundenzähler) zur Erfassung der tatsächlich angefallenen Betriebsdauer der Dies vorgesehen werden. Der Hilfsspeicher (Auxiliary Memory) speichert z. B. sonstige Daten wie z. B. Binning-Daten. Eine Kommunikationsschnittstelle (Serial Communication Interface) kann vorgesehen werden. Diese übernimmt die Steuerung der Leistungselektronik und des PWM Generators für jeden Kanal, das Lesen und Schreiben von Kalibrierdatensätzen, Temperatur-Koeffizienten und des Auxiliary Memory sowie das Auslesen von Sensordaten.
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Als optionale weitere bzw. alternative Funktionsblöcke können eine Drahtlose Kommunikation (z. B. IR oder Funk), ein optischer Sensor (Helligkeit/Farbort) oder eine Open/Short Detection (Kurzschluss/Leerlauf-Erkennung) vorgesehen werden.
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Die Leuchtmodule kommunizieren über die Kommunikationsschnittstelle mit einer zentralen Steuer- und Auswerteeinheit, z. B. einem Mikrocontroller. Letztere erfasst LED-spezifische Daten (Kalibrierdatensatz, Temperatur-Koeffizienten, Temperatur) und berechnet Steuerdaten (PWM-Verhältnisse) in Form der Betriebsparameter für jede einzelne LED. Im Beleuchtungssystem kommunizieren dann die einzelnen Leuchtmodule über die Kommunikationsschnittstelle mit der zentralen Steuer- und Auswerteeinheit.
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Die Erfindung erlaubt eine Ansteuerung der Leuchtmodule, welche hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) optimiert ausgeführt werden kann. Es reicht nämlich beispielsweise aus, das Leuchtmodul lediglich mit Gleichspannung zu versorgen und eine entsprechend gepulste oder modulierte Ansteuerung der Lichtquellen innerhalb des Leuchtmoduls, also bezüglich der Lichtquelle „vor Ort” auszuführen. Eine Störabstrahlung durch beispielsweise eine Leistungs-Pulsweitenmodulation auf einer langen Zuleitung zum Leuchtmodul wird dadurch vermieden. Mit anderen Worten wird eine Last-PWM von einem Generator zum Leuchtmodul hin durch eine PWM ersetzt, welche nur noch innerhalb des Leuchtmoduls erfolgt.
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Weitere Merkmale, Wirkungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen in einer schematischen Prinzipskizze:
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1 ein Leuchtmodul gemäß der Erfindung,
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2 ein Beleuchtungssystem gemäß der Erfindung.
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1 zeigt ein Leuchtmodul 2, welches mehrere, im Beispiel vier Farbkanäle 4a (R), 4b (G), 4c (B) und 4d (W) aufweist. Jeder der Farbkanäle 4a–d enthält im Beispiel zwei Lichtquellen 6, hier in Form von LEDs beziehungsweise LED-Dies. Jeweils vier farbverschiedene der LEDs 6 sind in Form einer Mehrfarblichtquelle 8, hier einer RGBW-LED ausgeführt.
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Das Leuchtmodul 2 enthält außerdem einen Speicher 10, in dem mehrere Kennwerte 12a–f speicherbar beziehungsweise im vorliegenden Fall gespeichert sind. Die Kennwerte 12a–f sind Kennwerte der einzelnen Lichtquellen 6 bzw. der Farbkanäle 4a–d. Das Leuchtmodul 2 enthält außerdem eine Kommunikationsschnittstelle 14, die über einen Anschluss 16 mit einer entsprechenden Gegenstelle außerhalb des Leuchtmoduls 2 verbindbar ist. Die Kommunikationsschnittstelle 14 erlaubt eine Kommunikation mit dem Speicher 10 sowie mit weiteren Komponenten des Leuchtmoduls.
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Das Leuchtmodul 2 enthält außerdem Leistungstreiber 18 sowie PWM-Generatoren 20, wobei je ein Leistungstreiber 18 und ein PWM-Generator 20 die jeweils in einem der Farbkanäle 4a–d befindlichen zwei gleichfarbigen Lichtquellen 6 ansteuern beziehungsweise betreiben. Der Leistungstreiber 18 wird hierbei über einen externen Anschluss 22 mit elektrischer Energie versorgt, um die elektrische Energie an die einzelnen Lichtquellen 6 weitergeben zu können. Die PWM-Generatoren 20 kommunizieren mit der Kommunikationsschnittstelle 14, wodurch im Beispiel Tastverhältnis und Tastmuster der PWM für die Lichtquellen 6 als Betriebsparameter 44 einstellbar sind. Die PWM-Generatoren 20 erzeugen jeweils ein leistungsschwaches Logiksignal für die jeweiligen Lichtquellen 6. Das Logiksignal wird durch die jeweils zugeordneten Leistungstreiber 18 verstärkt. Der einzustellende Verstärkungsfaktor wird als Betriebsparameter 44 über die Kommunikationsschnittstelle 14 geliefert. Die Kennwerte 12a–f sind jeweilige Farbkoordinatenwerte, PWM-On-Werte, Temperaturkoeffizienten, Helligkeitswerte sowie Binning-Werte der Farbkanäle 4a–4d bzw. der darin befindlichen Lichtquellen 6.
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Das Leuchtmodul 2 enthält außerdem einen Temperatursensor 24, welcher die jeweilige Temperatur des Leuchtmoduls 2 bzw. von dessen Lichtquellen 6 erfasst und mit der Kommunikationsschnittstelle 14 in Verbindung steht, um die gemessene Temperatur ausgeben zu können. Das Leuchtmodul 2 umfasst weiterhin einen Betriebsstundenzähler 26 für die Lichtquellen 6 beziehungsweise Farbkanäle 4a–4d sowie einen optischen Sensor 28 zur Ermittlung von Farbort und Helligkeit des von den Lichtquellen 6 im Betrieb erzeugten Lichts, sowie einen Leerlauf-/Kurzschlussdetektor 30 zur jeweiligen Erkennung eines Leerlaufs beziehungsweise Kurzschlusses der Lichtquellen 6.
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Der Speicher 10 ist in einen Hauptspeicher 32 und einen Hilfsspeicher 34 unterteilt. Je nach Relevanz sind die Kennwerte 12a–12f auf Hauptspeicher 32 und Hilfsspeicher 34 verteilt. Der Hauptspeicher 32 enthält die für den Betrieb des Leuchtmoduls 2 unbedingt nötigen Kennwerte, z. B. Farbkoordinatenwert und Helligkeitswert der Farbkanäle 4a–d. Der Binning-Wert z. B. ist im Hilfsspeicher 34 abgelegt.
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2 zeigt ein Beleuchtungssystem 40, welches mehrere Leuchtmodule 2 gemäß 1 sowie eine zentrale Steuer- und Auswerteeinheit 42 enthält. Diese ist dazu ausgebildet, mit den Leuchtmodulen über den Anschluss 16 beziehungsweise die Kommunikationsschnittstelle 14 zu kommunizieren. Basierend auf dieser Kommunikation – vor allem dem Auslesen des Speichers 10 – ermittelt die Steuer- und Auswerteeinheit 42 mindestens einen Betriebsparameter 44 für mindestens eine der Lichtquellen 6 auf Basis der jeweiligen Kennwerte 12a–f der jeweiligen Lichtquellen 6. Der Betriebsparameter 44 wird anschließend über die Kommunikationsschnittstelle 14 wieder an die Leuchtmodule 2 übermittelt und stellt im vorliegenden Fall einen jeweiligen PWM-Wert für den PWM-Generator 20 und einen Verstärkungsfaktor für den Leistungstreiber 22 der einzelnen Farbkanäle 4a–4d dar. Das Beleuchtungssystem 40 enthält außerdem eine Leistungsversorgung 46, welche auf die jeweiligen Anschlüsse 22 der Leistungsversorgungen 22 der Leuchtmodule 2 geführt ist, um die eigentliche elektrische Leistung für die Lichtquellen 6 bereitzustellen.
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Im Betrieb werden also die Leuchtmodule 2 per leistungsschwacher Kommunikation über die Anschlüsse 16 mit Betriebsparametern 44 versorgt. Zur eigentlichen Leistungsversorgung der Leistungstreiber 18 wird ein entsprechendes Leistungssignal über die Anschlüsse 22 übermittelt.
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Im Betrieb werden zunächst die notwendigen Kennwerte 12a–f jedes Leuchtmoduls 2 von der Steuer- und Auswerteeinheit 42 aus den Speichern 10 gelesen, um beispielsweise die individuellen Farbörter der jeweiligen Lichtquellen 6 und deren Helligkeit bei Anliegen einer bestimmten Spannung zu ermitteln. Die Steuer- und Auswerteeinheit 42 ermittelt dann entsprechende individuelle PWM-Werte für alle PWM-Generatoren 20 aller Leuchtmodule 2, und entsprechende individuelle Verstärkungsfaktoren für die Leistungstreiber 22 aller Leuchtmodule 2, damit schlussendlich jedes der Leuchtmodule 2 Licht gleicher Lichtfarbe und gleicher Helligkeit erzeugt.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Leuchtmodul
- 4a–d
- Farbkanal
- 6
- Lichtquelle
- 8
- Mehrfarb-Lichtquelle
- 10
- Speicher
- 12a–f
- Kennwert
- 14
- Kommunikationsschnittstelle
- 16
- Anschluss
- 18
- Leistungstreiber
- 20
- PWM-Generator
- 22
- Anschluss
- 24
- Temperatursensor
- 26
- Betriebsstundenzähler
- 28
- optischer Sensor
- 30
- Leerlauf-/Kurzschluss-Detektor
- 32
- Hauptspeicher
- 34
- Hilfsspeicher
- 40
- Beleuchtungssystem
- 42
- Steuer- und Auswerteeinheit
- 44
- Betriebsparameter
- 46
- Leistungsversorgung
- R
- Rot
- G
- Grün
- B
- Blau
- W
- Weiß
