DE102015108217B3

DE102015108217B3 - Technik zur Einstellung der Helligkeit von LED-Lampen

Info

Publication number: DE102015108217B3
Application number: DE102015108217.9A
Authority: DE
Inventors: Norbert Merkt; Benjamin Komm; Manfred Wittlinger; Oliver Heine; Bernd Kabbeck
Original assignee: Heine Optotechnik GmbH and Co KG; Heine Optotechnik KG
Current assignee: Heine Optotechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2015-05-26
Filing date: 2015-05-26
Publication date: 2016-09-22
Anticipated expiration: 2035-05-27
Also published as: US20160353540A1; US9839086B2

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Einstellen der Helligkeit wenigstens einer LED in Abhängigkeit einer sich ändernden und der wenigstens einen LED bereitgestellten Versorgungsspannung beschrieben, wobei die Versorgungsspannung mittels einer elektrischen Versorgungseinrichtung bereitgestellt wird, die zur Bereitstellung von Versorgungsspannungen über einen vorgegebenen Spannungsbereich ausgebildet ist, um die Helligkeit einer Glühlampe einzustellen, wobei das Verfahren mittels einer Steuereinheit ausgeführt wird, welche zur elektrischen Kopplung der elektrischen Versorgungseinrichtung mit der wenigstens einen LED vorgesehen ist, und folgende Schritte umfasst: Erfassen eines Parameters, welcher auf die sich ändernde Versorgungsspannung hinweist; und in Abhängigkeit des erfassten Parameters, Bereitstellen einer Steuerspannung der wenigstens einen LED zum Einstellen eines LED-Stroms derart, dass die wenigstens eine LED über dem vorgegebenen Spannungsbereich eine vorgegebene relative Helligkeitsänderung aufweist. Eine Steuereinheit und eine LED-Lampe, welche das hier beschriebene Verfahren implementieren werden ebenso angegeben. Ferner werden eine LED-Beleuchtungseinrichtung und ein medizinisches Diagnostikgerät mit der hier angegebenen LED-Lampe beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der LED-Lampen. Konkret wird ein Verfahren und eine Steuereinheit zur Einstellung der Helligkeit wenigstens einer LED-Lampe beschrieben. Beschrieben wird auch eine LED-Lampe, welche eine derartige Steuereinheit umfasst.
Leuchtdioden, oder kurz LEDs, erobern allmählich alle Bereiche des Alltagslebens. Beleuchtungssysteme, wie beispielsweise Straßenbeleuchtungen, Fahrzeugbeleuchtungen oder Innenraumbeleuchtungen, welche in der Vergangenheit mit herkömmlichen Glühlampen ausgestattet wurden, werden immer öfter durch LED-Lampen ersetzt oder nachgerüstet. Dies gilt auch für Beleuchtungssysteme, die in (mobilen oder netzgebunden stationären) medizinischen Diagnostikgeräten, wie beispielsweise Mikroskopen, Otoskopen oder Endoskopen zum Einsatz kommen. Glühlampen oder Kleinstglühlampen in medizinischen Diagnostikgeräten werden nach und nach durch LED-Lampen ersetzt.
Der Vorteil von LED-Lampen gegenüber herkömmlichen Glühlampen ist offensichtlich. So verbraucht eine LED-Lampe nur ein Bruchteil der elektrischen Energie, die eine herkömmliche Glühlampe zur Erzeugung eines vergleichbaren Lichtstroms (und damit einer vergleichbaren Helligkeit) verbraucht. Ferner können bei LED-Lampen Farbe, Farbtemperatur, Helligkeit je nach Ansteuerung flexibel eingestellt werden. Die Lebensdauer von LED-Lampen ist mit mehreren 10.000 bis 100.000 Stunden um eine oder mehrere Größenordnungen höher als bei herkömmlichen Glühlampen, bei denen Lebensdauern von 1.000 bis 2.000 Stunden erwartet werden können. Im Bereich der Kleinstglühlampen für medizinische Diagnostikgeräte werden sogar nur Lebensdauern von 10 bis 100 Stunden erreicht. Ferner haben die Entwickler bei der optischen und mechanischen Gestaltung von LED-Lampen einen wesentlich höheren Freiraum als bei bisherigen Lösungen.
Da herkömmliche Glühlampen einen einfachen ohmschen Verbraucher mit linearer Strom-Spannungs-Kennlinie darstellen, ist der Betrieb von Glühlampen sehr einfach. Die Glühlampe muss lediglich mit einer Spannungsquelle elektrisch gekoppelt werden. Die durch die Spannungsquelle bereitgestellte Versorgungsspannung bewirkt, dass durch die Glühwendel der Glühlampe ein zur angelegten Versorgungsspannung proportionaler Strom fließt, welcher die Glühwendel zum Leuchten bringt. Die Proportionalität zwischen der angelegten Versorgungsspannung und dem Strom ist durch den Widerstand der Glühwendel gemäß dem Ohmschen Gesetz festgelegt. Durch Veränderung der angelegten Versorgungsspannung kann die Helligkeit der Glühlampe (d. h. der Lichtstrom der Glühlampe) verändert werden. Die Einstellung der Helligkeit (oder Dimmung) von Glühlampen kann somit direkt über Einstellung der Versorgungsspannung vorgenommen werden.
Im Gegensatz hierzu weist die Strom-Spannungs-Kennlinie einer LED eine Diodencharakteristik mit exponentiellem Verlauf auf. Oberhalb einer gewissen Spannung (LED-Betriebsspannung) steigt der LED-Strom steil an, während die Spannung fast unverändert bleibt. Somit kann die Helligkeit einer LED-Lampe nicht direkt über die bereitgestellte Versorgungsspannung geregelt werden. Vielmehr werden LEDs durch Einstellung des LED-Stroms geregelt.
Zur Einstellung des LED-Stroms kommen elektronische Schaltungen (sogenannte LED-Treiber) zum Einsatz. Herkömmliche LED-Treiber sind dazu ausgebildet, einen annähernd konstanten LED-Strom zum Betrieb der LEDs bereitstellen. Schaltungen, die den LED-Strom konstant halten oder einen Spannungsunterschied zwischen Stromversorgung und LED ausgleichen, sind unter anderem aus der US 7,276,025 B2 , EP 2 319 391 A1 , US 2008/297069 A1 und der US 7,459,959 B2 bekannt.
Die Dimmung einer LED-Lampe kann beispielsweise durch Veränderung des LED-Stroms erreicht werden. LED-Treiber, welche im Vergleich zu herkömmlichen LED-Treibern einen zusätzlichen Steuerkanal mit externem Steuereingang aufweisen, an dem eine Steuerspannung zur Einstellung des LED-Stroms angelegt wird, sind aus dem Stand der Technik ebenso bekannt. In den meisten Fällen wird am Steueranschluss des Treibers ein zusätzliches Analog-Signal (beispielsweise 0–10 V) oder ein Signal mit Pulsweiten-Modulation (PWM) angelegt. Steuermöglichkeiten über den Rückkopplungspfad von LED-Treibern sind auch bekannt.
Aus der US 8,786,210 B2 ist eine LED-Schaltung bekannt, bei der die LED über einen Messwiderstand mit einem Spannungsausgang eines LED-Treibers und über zwei weitere, als Spannungsteiler fungierende Widerstände direkt mit dem Versorgungsspannungseingang des LED-Treibers elektrisch gekoppelt ist. Die als Spannungsteiler fungierenden Widerstände bewirken, dass die am Messwiderstand anliegende Potenzialdifferenz (Spannung) in Abhängigkeit der Versorgungsspannung verändert werden kann. Da der LED-Treiber den LED-Strom in Abhängigkeit der Potenzialdifferenz einstellt, kann durch Änderung der Versorgungsspannung der LED-Strom (und somit die Helligkeit der LED) eingestellt werden.
In mobilen und ortsgebundenen Diagnostikgeräten, Lichtmikroskopen und Instrumentbeleuchtungen kommen in der Regel Beleuchtungssysteme zum Einsatz, die eine Dimmung der Glühlampe über einen vorgegebenen Helligkeitsbereich ermöglichen. Zur Dimmung der Glühlampe kommen in den Beleuchtungssystemen entweder elektronisch veränderbare Spannungsquellen oder Festspannungsquellen (beispielsweise Akkumulatoren) zum Einsatz, welche mit einem einstellbaren elektrischen Widerstand (wie beispielsweise einem Rheostat) elektrisch gekoppelt sind. Der einstellbare elektrische Widerstand ist im elektrischen Kreis seriell zur Glühlampe angeordnet. Aufgrund seiner seriellen Anordnung wird der einstellbare Widerstand nachfolgend auch als einstellbarer Serienwiderstand bezeichnet. Er fungiert als einstellbarer Vorwiderstand zur stufenlosen Einstellung der Versorgungsspannung für die Glühlampe. Wird der Widerstandswert am einstellbaren Widerstand erhöht, so fällt die an der Glühlampe anliegende Versorgungsspannung und umgekehrt. Demgemäß steigt oder vermindert sich die Helligkeit der Glühlampe. Mit anderen Worten fungiert der einstellbare Serienwiderstand als Helligkeitsregler.
Dieser einfache Regelmechanismus funktioniert nicht mehr, wenn die Glühlampe einer Beleuchtungseinrichtung durch eine LED-Lampe mit eigenem LED-Treiber ersetzt wird. Der Grund hierfür liegt darin, dass LED-Lampen im Vergleich zu Glühlampen mit gleichem oder ähnlichem Lichtstrom einen wesentlich höheren Widerstand aufweisen. Somit verändert sich das durch den Serienwiderstand und den Widerstand der LED-Lampe vorgegebene Spannungsteilungsverhältnis derart, dass eine Änderung des Serienwiderstands nur eine geringfügige Änderung der Versorgungsspannung bewirkt. Somit kann selbst bei Verwendung eines LED-Treibers mit externem Steuereingang zur spannungsabhängigen Steuerung des LED-Stroms nur eine geringfügige, kaum wahrnehmbare Dimmung erreicht werden. Insbesondere geht die für medizinische Anwendungen wichtige Feineinstellung im unteren Helligkeitsbereich verloren.
Die Verwendung eines Rheostats, der zur Einstellung höherer Widerstandswerte ausgelegt ist, könnte das Problem technisch zwar lösen, würde aber dazu führen, dass mit Ersetzen der Glühlampe durch eine LED-Lampe auch die bereitgestellten elektrischen Versorgungseinrichtungen mit Festspannungsquelle und Rheostat komplett ersetzt werden müssten. Bei medizinischen Diagnostikgeräten sind Festspannungsquelle und Rheostat in der Regel im Instrumentengriff integriert. Solche Instrumentengriffe sind weltweit millionenfach im Einsatz. Der Austausch der Instrumentengriffe würde sehr hohe Kosten und einen sehr hohen logistischen Aufwand verursachen, was wirtschaftlich nicht zu vertreten ist.
Aus der US 2004/0252278 A1 sind Diagnostikinstrumente zur Untersuchung von Augen, Ohren oder des Hals-/Nasenbereichs bekannt, die eine LED als Lichtquelle aufweisen, wobei die LED über eine für Glühlampen ausgelegte Spannungsquelle mit Rheostat elektrisch versorgt wird. Um die LED mit Hilfe der Spannungsquelle und dem Rheostat auf gewohnte Weise betreiben zu können, wird ein Spannungsanpassungsmodul (in der US 2004/0252278 A1 als „voltage reduction circuit” oder „voltage boost circuit” realisiert) und ein I/V-Wandlermodul zur Steuerung der Dimmung der LED in den Stromkreis geschaltet. Das Spannungsanpassungsmodul und das I/V-Wandlermodul sind mit der Spannungsquelle permanent elektrisch gekoppelt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Steuereinheit zur Einstellung der Helligkeit einer LED-Lampe bereitzustellen, welche die Weiterbenutzung von im Einsatz befindlichen Spannungsquellen mit Helligkeitsregelungen ermöglicht, die für die Dimmung gewöhnlicher Glühlampen ausgelegt sind.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Einstellen der Helligkeit wenigstens einer LED in Abhängigkeit einer sich ändernden und der wenigstens einen LED bereitgestellten Versorgungsspannung bereitgestellt, wobei die Versorgungsspannung mittels einer elektrischen Versorgungseinrichtung bereitgestellt wird, die zur Bereitstellung von Versorgungsspannungen über einen vorgegebenen Spannungsbereich ausgebildet ist, um die Helligkeit einer Glühlampe einzustellen. Das Verfahren wird mittels einer Steuereinheit ausgeführt, welche zur elektrischen Kopplung der elektrischen Versorgungseinrichtung mit der wenigstens einen LED vorgesehen ist, und umfasst folgende Schritte: Erfassen eines Parameters, welcher auf die sich ändernde Versorgungsspannung der Versorgungseinrichtung hinweist; wobei der Parameter erfasst wird, indem ein einen elektrischen Widerstand der Glühlampe simulierender elektrischer Lastwiderstand mit der Versorgungseinrichtung wahlweise gekoppelt und entkoppelt wird, und der Parameter durch Messen der am gekoppelten Lastwiderstand abfallenden Spannung erfasst wird, und in Abhängigkeit des erfassten Parameters, Bereitstellen einer Steuerspannung der wenigstens einen LED zum Einstellen eines LED-Stroms derart, dass die wenigstens eine LED über dem vorgegebenen Spannungsbereich eine vorgegebene relative Helligkeitsänderung aufweist.
Die wenigstens eine LED kann zur Erzeugung eines weißen Lichts ausgebildet sein. Diese kann eine vergleichbare Helligkeit aufweisen, wie die durch die wenigstens eine LED zu ersetzende Glühlampe.
Die elektrische Versorgungseinrichtung kann als elektronisch veränderbare Spannungsquelle oder Festspannungsquelle (umfassend einen oder mehrere Akkumulatoren oder Batterien) ausgebildet sein. Ist die Versorgungseinrichtung als Festspannungsquelle ausgebildet, welche einen konstanten Spannungswert ausgibt, so kann die Versorgungseinrichtung zusätzlich einen einstellbaren elektrischen Serienwiderstand (wie beispielsweise ein Rheostat) umfassen, welcher dazu ausgebildet ist, eine Lampe mit verschiedenen Versorgungsspannungen innerhalb eines vorgegebenen Spannungsbereichs zu versorgen. Durch Einstellen (Betätigen) des einstellbaren Serienwiderstands kann somit die der Lampe zugeführte elektrische Leistung (und somit die Helligkeit der Lampe) geregelt werden.
Der durch die Versorgungseinrichtung bereitgestellte Spannungsbereich zum Einstellen der Helligkeit kann durch eine durch die Versorgungseinrichtung bereitgestellte maximale Versorgungsspannung (Versorgungsspannungswert) und minimale Versorgungsspannung (Versorgungsspannungswert) definiert sein. Die durch die Versorgungseinrichtung bereitgestellte maximale Versorgungsspannung kann hierbei derart gewählt sein, dass eine Glühlampe bei Anlegen der maximalen Versorgungsspannung ihre maximal zulässige Helligkeit (ohne die Glühlampe zu zerstören) erreicht. Ausgehend von der maximalen Versorgungsspannung kann so durch Verändern der bereitgestellten Versorgungsspannung hin zur minimalen Versorgungsspannung die Helligkeit der Glühlampe kontinuierlich reduziert werden. Die minimale Versorgungsspannung kann dabei derart gewählt sein, dass bei Anliegen der minimalen Versorgungsspannung die Glühlampe eine im Wesentlichen nicht wahrnehmbare Helligkeit aufweist. Gemäß einer Variante kann die minimale Versorgungsspannung den Wert 0 V oder einen von 0 V verschiedenen, kleinen Spannungswert (z. B. 1 V oder 2 V) annehmen.
Im Folgenden kann mit Helligkeitsänderung eine Änderung der Helligkeit (oder eine die Helligkeit einer Glühlampe oder einer LED beschreibenden Größe, wie beispielsweise die durch die Glühlampe oder die wenigstens eine LED verbrauchte elektrische Leistung oder der durch die wenigstens eine LED oder Glühlampe erzeugte Lichtstrom) in Abhängigkeit einer Versorgungsspannungsänderung gemeint sein. Mit anderen Worten kann mit Helligkeitsänderung eine Zunahme/Abnahme der Helligkeit in Abhängigkeit einer vorgegebenen Zunahme/Abnahme der Versorgungsspannung im vorgegebenen Spannungsbereich gemeint sein. Mit relativer Helligkeitsänderung kann die Helligkeitsänderung der wenigstens einen LED oder der Glühlampe jeweils bezogen auf ihre maximale Helligkeit gemeint sein. Mit anderen Worten kann die relative Helligkeitsänderung die relative Abnahme/Zunahme der Helligkeit der wenigstens einen LED oder Glühlampe bezogen auf die maximale Helligkeit der LED oder Glühlampe beschreiben. Die maximale Helligkeit der wenigstens einen LED und der Glühlampe kann bei Bereitstellen der maximalen Versorgungsspannung erreicht werden.
Die Helligkeitsänderung der wenigstens einen LED und der Glühlampe über den bereitgestellten Spannungsbereich kann jeweils durch eine Helligkeits-Spannungs-Kennlinie beschrieben werden. Diese kann den Verlauf eines die Helligkeit beschreibenden Parameters, wie beispielsweise die durch die wenigstens eine LED und die Glühlampe jeweils verbrauchte elektrische Leistung oder der durch die wenigstens eine LED und die Glühlampe jeweils erzeugte Lichtstrom, in Abhängigkeit der durch die Versorgungseinrichtung bereitgestellten Versorgungsspannungen (innerhalb des bereitgestellten Spannungsbereichs) beschreiben. Genauso können relative Helligkeitsänderung der wenigstens einen LED und der Glühlampe jeweils durch eine normierte Helligkeits-Spannungs-Kennlinie beschrieben werden. Die normierten Helligkeits-Spannungs-Kennlinien für die wenigstens eine LED und der Glühlampe können durch Normierung der Helligkeits-Spannungs-Kennlinien bezüglich der jeweiligen maximalen Helligkeit der LED und der Glühlampe erhalten werden. Die Steuerspannung kann in Abhängigkeit des erfassten und auf die bereitgestellte Versorgungsspannung hinweisenden Parameters derart bereitgestellt werden, dass eine die relative Helligkeitsänderung beschreibende normierte Helligkeits-Spannungs-Kennlinie der wenigstens einen LED (im Wesentlichen) gleich oder ähnlich zu einer normierten Helligkeits-Spannungs-Kennlinie einer Glühlampe über dem vorgegebenen Spannungsbereich ist. Gemäß einer alternativen Variante kann die Steuerspannung in Abhängigkeit des erfassten und auf die bereitgestellte Versorgungsspannung hinweisenden Parameters auch derart bereitgestellt werden, dass die wenigstens eine LED über dem vorgegebenen Spannungsbereich einer von einer Glühlampen-Kennlinie abweichenden normierten Helligkeits-Spannungs-Kennlinie folgt. Durch gezielte Einstellung (Skalierung) der Steuerspannung kann somit bewirkt werden, dass die wenigstens eine LED entsprechend einer beliebig vorgebbaren Helligkeits-Spannungs-Kennlinie über dem vorgegebenen Spannungsbereich dimmbar ist.
Der Schritt des Bereitstellens einer Steuerspannung kann ein Berechnen der Steuerspannung auf der Grundlage des erfassten Parameters und wenigstens einer vorgegebenen Dimmungskennlinie umfassen. Die wenigstens eine Dimmungskennlinie kann für den vorgegebenen Spannungsbereich eine vorgegebene funktionale Abhängigkeit der Steuerspannung vom erfassten Parameter beschreiben. Die funktionale Abhängigkeit der Steuerspannung vom erfassten Parameter kann beispielsweise mittels einer vorgegebenen Potenzfunktion oder einer Logarithmusfunktion beschrieben werden. Gemäß einer Variante kann die Dimmungskennlinie eine quadratische Abhängigkeit der Steuerspannung vom erfassten Parameter beschreiben. Die quadratische Abhängigkeit kann hierbei durch eine einzige quadratische Kennlinie beschrieben werden. Alternativ kann die quadratische Abhängigkeit der Steuerspannung oder die Abhängigkeit der Steuerspannung nach einer vorgegebenen Potenz- oder Logarithmusfunktion auch durch mehrere lineare Kennlinien über dem vorgegebenen Spannungsbereich angenähert werden. Durch die quadratische Abhängigkeit der Steuerspannung vom erfassten Parameter kann bewirkt werden, dass der durch die Steuerspannung eingestellte LED-Strom im Wesentlich sich quadratisch mit der bereitgestellten Versorgungsspannung ändert. Auf diese Weise kann der Helligkeitsverlauf einer Glühlampe nachgebildet werden, welcher eine quadratische Abhängigkeit von der bereitgestellten Versorgungsspannung aufweist.
Der Schritt des Erfassens eines Parameters umfasst die folgenden Unterschritte: Koppeln eines einen elektrischen Widerstand der Glühlampe simulierenden elektrischen Lastwiderstands mit der Versorgungseinrichtung; und Erfassen des Parameters durch Messen der am Lastwiderstand abfallenden Spannung. Der die Glühlampe simulierende Lastwiderstand weist hierbei einen Widerstandswert auf, welcher dem Widerstandswert der Glühlampe im Betrieb entspricht. Ist die Versorgungseinrichtung als Festspannungsquelle ausgebildet, welche einen einstellbaren Serienwiderstand zur Einstellung einer Versorgungsspannung umfasst, führtein Koppeln des Lastwiderstands mit der elektrischen Versorgungseinrichtung zu einer seriellen Anordnung von Lastwiderstand und einstellbarem Serienwiderstand. Lastwiderstand und einstellbarer Serienwiderstand realisieren einen Spannungsteiler, wobei der über dem Lastwiderstand abfallende Spannungsanteil (Teilspannung) bezogen auf die durch die Festspannungsquelle bereitgestellte Spannung von dem Widerstandsverhältnis aus Lastwiderstand und dem durch Lastwiderstand und einstellbarem Serienwiderstand erzeugten Gesamtwiderstand abhängt. Da der Lastwiderstand den Widerstand der Glühlampe im Stromkreis nachbildet, entspricht die am Lastwiderstand erfasste Spannung der Versorgungsspannung, die an der Glühlampe anliegen würde, wenn die Glühlampe direkt mit der Festspannungsquelle elektrisch gekoppelt wäre. Ist hingegen die Versorgungseinrichtung als elektronisch veränderbare Spannungsquelle realisiert, so wird die von der Spannungsquelle bereitgestellte Versorgungsspannung ebenso mittels des Lastwiderstands erfasst. Unabhängig von der Ausgestaltung der Versorgungseinrichtung kann mittels des Lastwiderstands jederzeit die von der Versorgungseinrichtung bereitgestellte Versorgungsspannung direkt erfasst werden.
Der Schritt des elektrischen Koppelns des Lastwiderstands umfasst ein wahlweises Koppeln und Entkoppeln des Lastwiderstands mit der elektrischen Versorgungseinrichtung. Der Lastwiderstand kann hierbei für eine vorgegebene Zeitdauer mit der elektrischen Versorgungseinrichtung gekoppelt werden. Während dieser Zeitdauer kann dann die am gekoppelten Lastwiderstand abfallende Spannung ermittelt werden. Die Kopplungszeitdauer kann hierbei auf wenige μ-Sekunden beschränkt werden. Diese kurze Zeitdauer kann ausreichen, um die am Lastwiderstand abfallende Spannung zu messen. Eine Beschränkung der Kopplung auf eine vorgegebene kurze Zeitdauer kann vorteilhaft sein, um bei Kopplung des Lastwiderstands am Lastwiderstand auftretende dissipative Verluste gering zu halten.
Die Schritte des Erfassens eines Parameters und des Bereitstellen einer Steuerspannung können in zeitlich aufeinanderfolgenden Abständen wiederholt werden. Gemäß einer Implementierung können die Schritte des Erfassens eines Parameters und des Bereitstellen einer Steuerspannung mit einer vorgegebenen Frequenz wiederholt werden. Beispielsweise kann die vorgegebene Frequenz einen Wert im Bereich von 10 Hz bis 10000 Hz, bevorzugt einen Wert im Bereich von 100 Hz bis 10000 Hz, annehmen. Durch die hohe Wiederholungsrate können Änderungen in der bereitgestellten Versorgungsspannung ohne wesentliche Zeitverzögerung erfasst werden und den geänderten Versorgungsspannungen angepasste Steuerspannungen bereitgestellt werden. Auf diese Weise wird durch das Verfahren im Wesentlichen eine zeitgleiche Anpassung der Helligkeit der wenigstens einen LED an eine Änderung der Versorgungsspannung ermöglicht.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Steuereinheit zur Einstellung der Helligkeit wenigstens einer LED in Abhängigkeit einer sich ändernden und der wenigstens einen LED bereitgestellten Versorgungsspannung bereitgestellt, wobei die Steuereinheit zur elektrischen Kopplung der wenigstens einen LED mit einer elektrischen Versorgungseinrichtung ausgebildet ist, welche zur Bereitstellung von Versorgungsspannungen über einen vorgegebenen Spannungsbereich ausgebildet ist, um die Helligkeit einer Glühlampe einzustellen. Die Steuereinheit umfasst einen elektrischen Lastwiderstand, der einen elektrischen Widerstand der Glühlampe simuliert und zur wahlweisen elektrischen Kopplung und Entkopplung mit der elektrischen Versorgungseinrichtung vorgesehen ist; eine Erfassungseinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, einen Parameter zu erfassen, welcher auf die sich ändernde Versorgungsspannung hinweist, wobei die Erfassungseinrichtung dazu ausgebildet ist, die bei Kopplung des elektrischen Lastwiderstands mit der elektrischen Versorgungseinrichtung am Lastwiderstand abfallende Spannung zu erfassen und der Bereitstellungseinrichtung als Parameter bereitzustellen; und eine Bereitstellungseinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit des erfassten Parameters, eine Steuerspannung der wenigstens einen LED zum Einstellen eines LED-Stroms derart bereitzustellen, dass die wenigstens eine LED über dem vorgegebenen Spannungsbereich eine vorgegebene relative Helligkeitsänderung aufweist.
Die Bereitstellungseinrichtung kann dazu ausgebildet sein, die Steuerspannung auf der Grundlage des erfassten Parameters und wenigstens einer vorgegebenen Dimmungskennlinie zu berechnen. Beispielsweise kann die wenigstens eine Dimmungskennlinie für den vorgegebenen Spannungsbereich eine Abhängigkeit der Steuerspannung vom erfassten Parameter gemäß einer vorgegebenen Potenzfunktion oder Logarithmusfunktion beschreiben. Gemäß einer Variante kann die Dimmungskennlinie eine quadratische Abhängigkeit der Steuerspannung vom erfassten Parameter aufweisen. Sowohl die quadratische Dimmungskennlinie als auch die Dimmungskennlinien nach einer vorgegebenen Potenz- oder Logarithmusfunktion können jeweils durch eine entsprechende einzige Kennlinie oder durch mehrere, die entsprechenden Kennlinien approximierende, lineare Kennlinien beschrieben sein.
Die wenigstens eine Dimmungskennlinie kann in der Bereitstellungseinrichtung hinterlegt sein. Sie kann als analoge Schaltung oder in Form einer digitalen Zuordnungstabelle (Lookup-Tabelle) in der Bereitstellungseinrichtung implementiert sein.
Die Steuereinheit umfasst ferner einen einen elektrischen Widerstand der Glühlampe simulierenden elektrischen Lastwiderstand, welcher zur elektrischen Kopplung mit der elektrischen Versorgungseinrichtung vorgesehen ist. Der die Glühlampe simulierende Lastwiderstand weist hierbei einen Widerstandswert auf, welcher dem Widerstandswert der Glühlampe im Betrieb entspricht. Auf diese Weise simuliert die Steuereinheit den Stromkreis der Glühlampe. Durch Kopplung des elektrischen Lastwiderstands mit der elektrischen Versorgungseinrichtung wird die am Lastwiderstand abfallende Spannung mittels der Erfassungseinrichtung erfasst. Die am Lastwiderstand abfallende Spannung entspricht hierbei der der Glühlampe bereitgestellten Versorgungsspannung.
Die Steuereinheit kann ferner eine Schalteinrichtung umfassen, welche zur Realisierung von wenigstens zwei Schaltzuständen ausgebildet ist. Die Schalteinrichtung kann dazu ausgebildet sein, in einem ersten Schaltzustand den Lastwiderstand der Steuereinheit mit der elektrischen Versorgungseinrichtung elektrisch zu koppeln. Die Schalteinrichtung kann ferner dazu ausgebildet sein, in einem zweiten Schaltzustand die elektrische Versorgungseinrichtung mit der wenigstens einen LED (oder mit dem LED-Treiber) elektrisch zu koppeln, um die wenigstens eine LED oder den LED-Treiber elektrisch zu versorgen. Gleichzeitig kann im zweiten Schaltzustand der Lastwiderstand von der elektrischen Versorgungseinrichtung entkoppelt sein. Durch die Schalteinrichtung kann der Lastwiderstand vom Stromkreis des LED-Treibers vollständig elektrisch entkoppelt sein. Dies hat den Vorteil, dass die am Lastwiderstand abfallende Teilspannung nicht vom Stromkreis des LED-Treibers beeinflusst wird, wodurch die Erfassung der am Lastwiderstand abfallenden Spannung verbessert werden kann. Ferner kann durch die Schalteinrichtung die Kopplung des Lastwiderstands mit der Spannungsquelle auf eine zur Messung der Teilspannung benötigte minimale Zeit begrenzt werden, wodurch dissipative Leistungsverluste am belasteten Lastwiderstand möglichst gering gehalten werden. Gemäß einer alternativen Variante kann die wenigstens eine LED oder der LED-Treiber unabhängig vom Schaltzustand der Schalteinrichtung (also auch im ersten Schaltzustand) mit der elektrischen Versorgungseinrichtung elektrisch gekoppelt sein (oder bleiben). In diesem Fall würden im ersten Schaltzustand die wenigstens eine LED oder der LED-Treiber zusammen mit einem anteiligen Lastwiderstand den Stromkreis der Glühlampe simulieren.
Die Steuereinheit kann ferner eine mit der Schalteinrichtung elektrisch gekoppelte Taktgebereinrichtung zur Ansteuerung der Schalteinrichtung umfassen. Die Taktgebereinrichtung ist dazu ausgebildet, eine elektrische Impulsfolge zu erzeugen, um die Schalteinrichtung zwischen den wenigstens zwei Schaltzuständen hin und her zu schalten. Bei der erzeugten Impulsfolge kann es sich um zeitlich aufeinanderfolgende Spannungsimpulse oder Stromimpulse handeln. Diese können mit einer festgelegten (voreingestellten oder voreinstellbaren) Frequenz von der Taktgebereinrichtung erzeugt werden.
Die Taktgebereinrichtung kann dazu ausgebildet sein, Impulse mit einer vorgegebenen Frequenz zu erzeugen. Beispielsweise kann die vorgegebene Frequenz einen Wert im Bereich von 10 Hz und 10000 Hz, bevorzugt einen Wert im Bereich von 100 Hz und 10000 Hz annehmen. Die Schalteinrichtung kann dann mit der vorgegebenen Frequenz der Impulsfolge zwischen den beiden Schaltzuständen hin und her geschaltet werden. Somit kann die Erfassung des über dem Lastwiderstand abfallenden Spannungsanteils mit der Frequenz der Pulsfolge zeitlich wiederholt werden. Durch die hohen Taktfrequenzen kann die Erfassung des Serienwiderstands pro Sekunde vielfach wiederholt werden. Die Erfassung kann folglich quasikontinuierlich erfolgen. Dadurch wird gewährleistet, dass Veränderungen des Serienwiderstands, und damit einhergehend Veränderungen an der über dem Lastwiderstand abfallenden Spannung sofort (also ohne wesentliche Zeitverzögerung) erfasst und in entsprechende Steuerspannungen für den LED-Treiber umgewandelt werden können. Somit wird durch die Steuereinheit eine sehr schnelle Anpassung der LED-Helligkeit an einen veränderten Serienwiderstandwert ermöglicht.
Die Zeitdauer, mit welcher die Schalteinrichtung im ersten Schaltzustand verweilt, und somit den Lastwiderstand mit dem Serienwiderstand und der Spannungsversorgung koppelt, kann durch eine voreinstellbare Impulsdauer festgelegt werden. In der Regel kann die Zeitdauer auf einige wenige μ-Sekunden beschränkt werden, um eine zuverlässige Erfassung der am Lastwiderstand anliegenden Spannung zu ermöglichen. Dementsprechend kann die Taktgebereinrichtung derart ausgebildet sein, dass sie Impulse mit einer Impulsdauer von wenigen μ-Sekunden (beispielsweise Impulsdauern im Bereich zwischen 1 μs und 10 μs) erzeugt. Die kurze Verweildauer der Schalteinrichtung im ersten Schaltzustand hat keine Auswirkung auf die elektrische Versorgung der LED, welche durch die Schaltung in den ersten Schaltzustand kurz unterbrochen wird. Denn LED-Treiber weisen in der Regel Pufferkondensatoren zur Speicherung elektrischer Energie auf, welche die kurze Versorgungsunterbrechung leicht überbrücken können.
Die Taktgebereinrichtung kann ferner mit der Erfassungseinrichtung elektrisch gekoppelt sein, um die erzeugte Impulsfolge der Erfassungseinrichtung bereitzustellen.
Auf diese Weise kann die Erfassung der am Lastwiderstand anliegenden Spannung mit der Kopplung des Lastwiderstands an die Spannungsquelle und den Serienwiderstand synchronisiert werden. Gemäß einer Variante kann das Erfassen der Spannung am Lastwiderstand zeitlich leicht verzögert zum Umschalten in den ersten Schaltzustand erfolgen. Damit wird verhindert, dass beim Umschalten auftretende Einschwingungseffekte die Erfassung verfälschen.
Die Steuereinheit kann als Hardware-Modul und/oder Software-Modul ausgebildet sein. Gemäß einer Variante kann die Steuereinheit als analoge Einheit mit einer analogen Erfassungseinrichtung und Bereitstellungseinrichtung ausgebildet sein. Die Bereitstellungseinrichtung kann eine analoge Schaltung umfassen, welche den erfassten Parameter gemäß der Charakteristik der oben genannten wenigstens einen Dimmungskennlinie in ein entsprechendes Steuersignal überführt. Erfassungseinrichtung und Bereitstellungseinrichtung können hierbei jeweils als separate Einheiten ausgebildet sein, welche miteinander elektrisch gekoppelt sind. Alternativ können die Erfassungseinrichtung und Bereitstellungseinrichtung als eine gemeinsame elektronische Einheit ausgebildet sei.
Alternativ hierzu kann die Steuereinheit auch als Mikrocontroller mit wenigstens einem Prozessor (und wenigstens einem Speicher) realisiert sein. In diesem Fall kann die Dimmungskennlinie in Form einer Zuordnungstabelle (Lookup-Tabelle) im Microkontroller hinterlegt sein. Die Steuereinheit kann ferner einen Analog-Digital-Wandler umfassen, welcher das am Lastwiderstand abgegriffene Spannungssignal in eine entsprechende digitale Signalsequenz umwandelt, sowie einen Digital-Analog-Wandler, welcher das bereitgestellte Steuerspannungssignal in ein entsprechendes analoges Signal für den LED-Treiber umwandelt.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine LED-Lampe bereitgestellt, welche zur elektrischen Kopplung mit einer elektrischen Versorgungseinrichtung ausgebildet ist, wobei die elektrische Versorgungseinrichtung zur Bereitstellung von Versorgungsspannungen über einen vorgegebenen Spannungsbereich ausgebildet ist, um die Helligkeit einer Glühlampe einzustellen. Die LED-Lampe umfasst die oben beschriebene Steuereinheit zur Bereitstellung einer Steuerspannung in Abhängigkeit der durch die Versorgungseinrichtung bereitgestellten Versorgungsspannung; einen mit der Steuereinheit elektrisch gekoppelten LED-Treiber, welcher dazu ausgebildet ist, einen LED-Strom für die wenigstens eine LED in Abhängigkeit der bereitgestellten Steuerspannung zu erzeugen; und wenigstens eine mit dem LED-Treiber elektrisch gekoppelte LED zur Erzeugung eines Lichtstroms in Abhängigkeit des bereitgestellten LED-Stroms.
Die LED-Lampe kann für den Einsatz in medizinischen Diagnostikgeräten (beispielsweise Otoskopen, Endoskopen) vorgesehen sein. Die LED-Lampe kann als eigenständige Einheit ausgebildet sein, welche zu in medizinischen Diagnostikgeräten verbauten elektrischen Versorgungseinrichtungen (wie beispielsweise Versorgungseinrichtungen mit einer Festspannungsquelle und einem einstellbaren Serienwiderstand) kompatibel ist. Die LED-Lampe kann ferner zwei elektrische Anschlüsse umfassen (einen Anschluss für die Phase und einen Anschluss für die Masse), über die die LED-Lampe mit der in medizinischen Diagnostikgeräten verbauten Spannungsquellen elektrisch verbindbar ist.
Die wenigstens eine LED kann zur Erzeugung eines weißen Lichts ausgebildet sein. Entsprechend kann der LED-Treiber zur Erzeugung eines LED-Stroms für die wenigstens eine weiße LED-Lampe ausgebildet sein. Als LED-Treiber kann ein handelsüblicher LED-Treiber mit einem externen Steuereingang zur spannungsabhängigen Einstellung des LED-Stroms zum Einsatz kommen, wie eingangs beschrieben. Der externe Steuereingang ist mit der Steuereinheit elektrisch gekoppelt. Somit kann dem externen Steuereingang das von der Bereitstellungseinrichtung bereitgestellte Steuersignal zugeführt werden. Gemäß einer Variante kann der LED-Treiber auch in der Steuereinheit integriert sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine LED-Beleuchtungseinrichtung bereitgestellt, welche die oben beschriebene LED-Lampe und eine mit der LED-Lampe gekoppelte elektrische Versorgungseinrichtung umfasst, wobei die elektrische Versorgungseinrichtung dazu ausgebildet ist, die Versorgungsspannungen über einen vorgegebenen Spannungsbereich bereitzustellen, um die Helligkeit einer Glühlampe stufenlos einzustellen.
Die elektrische Versorgungseinrichtung kann als elektronisch veränderbare Spannungsquelle oder als Festspannungsquelle (umfassend einen oder mehrere Akkumulatoren oder Batterien) ausgebildet sein, welche mit einem einstellbaren Serienwiderstand zur Einstellung der Lampenhelligkeit gekoppelt ist, wie oben beschrieben.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein medizinisches Diagnostikgerät bereitgestellt, umfassend die hier beschriebene LED-Beleuchtungseinrichtung. Das medizinische Diagnostikgerät kann in Form eines Otoskops, eines Endoskops, eines Mikroskops ausgebildet sein.
Weitere Aspekte, Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Offenbarung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen
1 einen elektrischen Schaltkreis einer Beleuchtungseinrichtung mit Glühlampe gemäß dem Stand der Technik;
2a/2b einen elektrischen Schaltkreis einer Beleuchtungseinrichtung mit einer LED-Lampe mit und ohne Helligkeitseinstellung gemäß dem Stand der Technik;
3 ein Flussdiagramm zur Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Helligkeitseinstellung einer LED-Lampe;
4 ein Schaltbild einer Steuereinheit zur Helligkeitseinstellung einer LED-Lampe gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5 ein Schaltbild einer Steuereinheit zur Helligkeitseinstellung einer LED-Lampe gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
6 ein Schaltbild einer Steuereinheit zur Helligkeitseinstellung einer LED-Lampe gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; und
7a/7b zwei Diagramme, welche die Helligkeitsänderung einer LED-Lampe und einer Glühlampe in Abhängigkeit einer Rheostat-Einstellung darstellen.
1 zeigt anhand eines Schaltbildes einen elektrischen Schaltkreis einer Beleuchtungseinrichtung 10, wie sie bespielweise in medizinischen Diagnostikgeräten zum Einsatz kommt. Die Beleuchtungseinrichtung 10 umfasst eine elektrische Versorgungseinrichtung 100 und eine mit der Versorgungseinrichtung 100 elektrisch verbundene Glühlampe 160. Die Versorgungseinrichtung 100 umfasst eine Spannungsquelle 110 (in der Regel eine Batterie, welche eine vorgegebene Festspannung bereitstellt) und einen im elektrischen Stromkreis 140 angeordneten Rheostat 120. Die Versorgungseinrichtung 100 kann als eigenständige Untereinheit der Beleuchtungseinrichtung 10 ausgebildet sein, welche beispielsweise in einem medizinischen Diagnostikgerät separat verbaut ist (in 1 durch die gestrichelte Linie dargestellt).
Der Rheostat 120 stellt einen einstellbaren Vorwiderstand dar, welcher zur stufenlosen Einstellung der Helligkeit (Dimmung) der Glühlampe 160 herangezogen wird. Durch Betätigung des Rheostats 120 ändert sich der Vorwiderstandswert R_rheo und für die an der Glühlampe 160 anliegenden Spannung (bzw. Teilspannung) U_lampe gilt folgende Beziehung: U_lampe = U_bat·R_lampe/(R_rheo + R_lampe), (1) wobei mit U_bat die von der Spannungsquelle 110 (Batterie) bereitgestellte Spannung, R_lampe der Widerstand der Glühlampe 160 und mit R_rheo der veränderliche Widerstand des Rheostat 120 bezeichnet werden.
Es sei bemerkt, dass der durch die Glühlampe 160 erzeugte Lichtstrom (oder äquivalent dazu die Helligkeit der Glühlampe) direkt proportional zur aufgenommenen elektrischen Leistung ist. Änderungen in der elektrischen Leistung bewirken entsprechende Änderungen der Helligkeit der Glühlampe 160. Für die weitere Betrachtung wird daher die von der Glühlampe 160 verbrauchte elektrische Leistung zur Beschreibung der Helligkeit herangezogen.
Da die Glühlampe 160 einen ohmschen Verbraucher darstellt, kann die an der Glühlampe 160 aufgenommene elektrische Leistung gemäß der Gleichung P_lampe = U_lampe·I_lampe = U_lampe ²/R_lampe = (U_bat·R_lampe/(R_rheo + R_lampe))²/R_lampe (2) berechnet werden. Gleichung (2) zeigt, dass die elektrische Leistung der Glühlampe 160 quadratisch von der über die Glühlampe 160 abfallenden Teilspannung U_lampe abhängt. Die über der Glühlampe 160 abfallende Teilspannung U_lampe hängt wiederum vom Verhältnis von Innenwiderstand der Glühlampe R_lampe zu Gesamtwiderstand (R_rheo + R_lampe) ab, wobei der Gesamtwiderstand aufgrund der Rheostateinstellung variabel veränderbar ist.
Ist beispielsweise der Wert R_rheo = 0, so liegt an der Glühlampe 160 die von der Spannungsquelle 110 bereitgestellte maximale Spannung an, wodurch sich eine maximale Lampenleistung P_{lampe max} = U_bat ²/R_lampe (2a) und damit eine maximale Helligkeit der Glühlampe 160 ergibt. Nimmt hingegen der Rheostat bei voller Auslenkung (im folgenden Beispiel sei angenommen, dass diese bei einer 90°-Auslenkung erreicht ist) den Wert R_rheo = R_lampe an, so würde sich die Lampenleistung auf P_lampe = U_bat ²/(4·R_lampe) = P_{lampe max}/4 (2b) reduzieren. Mit anderen Worten, die an der Glühlampe 160 verbrauchte elektrische Leistung würde auf 25% der maximalen Lampenleistung P_{lampe max} abfallen. Dementsprechend kann die Helligkeit der Glühlampe 160 durch den Rheostat 120 auf 25% der maximalen Glühlampenhelligkeit gedimmt werden. In dem hier diskutierten Beispiel kann mit dem Rheostat 120 die elektrische Leistung und somit die Helligkeit zwischen 100% und 25% variabel eingestellt werden. Die Dimmungscharakteristik der Glühlampe 160 ist durch die in den 7a und 7b gezeigten Helligkeits-Spannungs-Kennlinien „P_lampe” und „P_lampe_norm” dargestellt. Konkret ist in 7a die elektrische Leistung (diese ist ein Maß für die Helligkeit der Glühlampe 160) in Abhängigkeit der Rheostatauslenkung (diese ist ein Maß für die an der Glühlampe anliegende Spannung) aufgetragen. Die Kennlinie zeigt die in Gleichung (2) beschriebene quadratische Abhängigkeit der Leistung (Helligkeit) der Glühlampe 160 von der Versorgungsspannung U_lampe. In 7b ist die in 7a gezeigte Kennlinie „P_lampe” normiert auf die maximalen Leistung (Helligkeit) zur besseren Vergleichbarkeit aufgetragen. Es versteht sich, dass mit einem höheren Widerstandswert des Rheostats 120 (also R_rheo >> R_lampe) selbstverständlich auch niedrigere Lampenleistungen erreicht werden können. Das hier beschriebene Beispiel dient lediglich zur Illustration, wie sich die elektrische Leistung in Abhängigkeit der Rheostateinstellung ändert.
In Zusammenhang mit 2a wird nun eine Beleuchtungseinrichtung 10a beschrieben, bei der anstelle der in 1 gezeigten Glühlampe 160 eine LED-Lampe 300a zum Einsatz kommt. Die LED-Lampe 300a umfasst eine LED 340 und einen mit der LED 340 elektrisch in Verbindung stehenden herkömmlichen LED-Treiber 320a. Dieser ist dazu ausgebildet, einen Konstantstrom zur Ansteuerung der LED 340 an die LED 340 auszugeben. Der LED-Treiber 320a ist eingangsseitig wiederum mit der in Zusammenhang in 1 diskutierten Versorgungseinrichtung 100 elektrisch gekoppelt.
Wenn nun die Eingangsspannung (U_in) über den Rheostat 120 verändert wird, ändert sich der LED-Strom I_LED nicht. Mit anderen Worten, der Rheostat 120 hat bei der LED-Lampe 300a mit LED-Treiber 320a keine Wirkung. Hierbei gelten folgende Gleichungen: P_LED = U_LED·I_LED = η·U_in·I_in, (3) wobei P_LED die elektrische Leistung der LED 340 ist und η der Wirkungsgrad des LED-Treibers 320a. In Gleichung (3) ist in der Regel η < 1. Das bedeutet, dass die vom LED-Treiber 320a verbrauchte elektrische Leistung (P_in = U_in·I_in) größer als die der LED 340 zur Verfügung gestellte Leistung ist. U_LED ist physikalisch bedingt beinahe konstant. I_LED wird von dem LED-Treiber 320a konstant gehalten. Das heißt, wenn U_in kleiner wird, wird I_in größer und umgekehrt. Die in 2a dargestellte LED-Lampe 300a ist nicht dimmbar.
Anhand von 2b wird nun eine Beleuchtungseinrichtung 10b mit einer dimmbaren LED-Lampe 300b näher beschrieben. 2b zeigt eine LED-Lampe 300b, welche wiederum mit der in Zusammenhang mit 1 beschriebenen elektrischen Versorgungseinrichtung 100 elektrisch gekoppelt ist. Der Unterschied zu der in 2a gezeigten LED-Lampe 300a liegt darin, dass ein „dimmbarer” LED-Treiber 320b vorgesehen ist. Dieser ist mit einem zusätzlichen Steuereingang versehen. Am Steuereingang kann eine Steuerspannung U_dim zur Dimmung der LED 340 angelegt werden, welche an einem parallel zum LED-Treiber 320b angeordneten Spannungsteiler 330b abgreifbar ist. Solche LED-Treiber sind auf dem Markt allgemein verfügbar und es gelten die folgenden Beziehungen: I_LED = I_{LED max}·(U_dim/U_{dim max}) und (4a) U_dim/U_{dim max} = U_in/U_{in max}, (4b) wobei I_{LED max} einen maximalen LED-Strom, U_{dim max} eine maximale Steuerspannung beschreibt, U_{in max} eine maximale Eingangsspannung und U_in die eingestellte Eingangsspannung bezeichnet.
Die maximale Steuerspannung U_{dim max} wird erreicht, wenn der Rheostat 120 den Wert Null annimmt, also wenn gilt U_{in max} = U_bat (wenn R_rheo = 0) (4c)
In diesem Fall gilt U_dim = U_{dim max} und I_LED = I_{LED max}, wie aus Zusammenschau der Gleichungen (4a–4c) sofort ableitbar ist.
Da die LED-Lampe 300b nur ein Bruchteil der elektrischen Energie der Glühlampe 160 verbraucht, um den gleichen Lichtstrom (die gleiche Lichtmenge) zu erzeugen, gelten ferner die folgenden Beziehungen: P_{LED max} = v_e·P_{lampe max}, oder (5a) P_LED = v_e·P_lampe, mit v_e < 1, (5b) wobei mit P_lampe und P_{lampe max} die (maximale) Leistung der Glühlampe 160 und mit P_LED und P_{LED max} die (maximale) Leistung der LED 340 bezeichnet sind. v_e bezeichnet einen Proportionalitätsfaktor, welcher bei heutigen LEDs mit qualitativ hochwertigem Licht ungefähr Werte zwischen 0.16 und 0.2 annimmt.
Mit Hilfe der Gleichungen (4a–5b) kann nun ein sogenannter virtueller Widerstand der LED-Lampe 300b (LED 340 und LED-Treiber 320b zusammen) abgeschätzt werden, welcher durch die Beziehung R_{LED virt} = U_in/I_in (6) definiert ist.
Für die Schaltung in 2b mit im Stromkreis 140 angeordneten Rheostat 120 gilt analog zu Gleichung (2) oben U_in = U_bat·(R_{LED virt}/(R_rheo + R_{LED virt})). (7)
Durch Umformung der Gleichungen (3) und (5b) lässt sich weiter schreiben I_in = P_LED/(η·U_in) und I_in = (v_e·P_lampe)/(η·U_in). (8)
Gleichung (8) in Gleichung (6) eingesetzt ergibt R_{LED virt} = U_in/((v_e·P_lampe)/(η·U_in)) = η·U_in ²/(v_e·P_lampe) = (η/v_e)·R_lampe.(9)
Durch Einsetzen gängiger Werte für η = 0.8 und v_e = 0.2 kann ein Wert für den virtuellen Widerstand R_{LED virt} = 4·R_lampe abgeschätzt werden. Mit anderen Worten ist der Widerstand der LED-Lampe 300b um einen Faktor 4 höher als der Widerstand bei der Glühlampe 160, welche einen ähnlichen Lichtstrom erzeugt wie die LED-Lampe.
Aufgrund des vielfach höheren Widerstands der LED-Lampe 300b ist ein zur Regelung der Helligkeit einer Glühlampe mit ähnlichem Lichtstrom vorgesehener Rheostat 120 nicht geeignet, um an der LED-Lampe 300b eine entsprechende Helligkeitseinstellung vorzunehmen. Dies wird nachfolgend anhand des hier beschriebenen Beispiels weiter verdeutlicht.
Gleichung (7) kann mit Hilfe von Gleichung (9) in die Gleichung U_in = U_bat·(((η/v_e)·R_lampe)/(R_rheo + ((η/v_e)·R_lampe))) (10) überführt werden.
Wenn R_rheo = 0 ist, dann ist U_in = U_bat und es gilt: I_in = I_{in max} = v_e·P_{lampe max}/(η·U_bat) = (v_e/η)·(P_{lampe max}/U_bat) und (11a) I_{in max} = (v_e/η)·I_{lampe max}. (11b)
Wird der Rheostat 120 bei voller Auslenkung (90°-Auslenkung wie in der Schaltung in 1) auf den Wert R_lampe eingestellt, so gilt weiter: U_in = U_bat·(((η/v_e)·R_lampe)/(R_lampe + ((η/v_e)·R_lampe))) = U_bat·1/((v_e/η) + 1). (12)
Daraus folgt bei Werten von η = 0,8 und v_e = 0,2 eine Eingangsspannung U_in = U_bat·0,8(= U_{in max}·0.8). (13)
Aus der Kombination der Gleichung (13) mit den Gleichungen (4a) und (4b) folgt: I_LED = I_{LED max}·0.8. (14)
Das bedeutet, dass der Rheostat 120 im vorliegenden Beispiel eine maximale Absenkung des LED-Stroms und damit auch der LED Leistung (da U_LED = konstant ist) von lediglich 20% bewirken kann. Die dadurch erreichte Helligkeitsänderung ist aufgrund der einer Potenzfunktion folgenden Helligkeitswahrnehmung des menschlichen Auges (die Sinnesempfindung der Helligkeit ist der Stevensschen Potenzfunktion des Reizes proportional) kaum wahrnehmbar. Somit ist die Schaltung in dieser Form nicht geeignet, um Glühlampen durch LED-Lampen zu ersetzen.
Die aus Gleichung (14) ableitbare lineare Dimmungscharakteristik der LED 340 ist durch die in den 7a und 7b gezeigte gestrichelte Helligkeits-Spannungs-Kennlinie mit der Bezeichnung „P_LED” und ”P_LED_norm” dargestellt. Wiederum ist die elektrische Leistung als Maß für die Helligkeit in Abhängigkeit der Rheostatauslenkung als Maß für die bereitgestellte Versorgungsspannung (Eingangsspannung U_in 3) aufgetragen. Zum besseren Vergleich der LED-Kennlinie mit der Glühlampen-Kennlinie sei auf die normierte Darstellung in 7b verwiesen. Während die Glühlampe 160 eine quadratische Abhängigkeit der Helligkeit von der Auslenkung des Rheostats 120 aufweist, zeigt die LED 340 eine lineare Abhängigkeit.
Es kann festgehalten werden, dass der virtuelle Widerstand der LED-Lampen 300a, 300b (η/v_e)-mal (in dem hier beschriebenen Beispiel 4-mal) höher ist, als der Widerstand der Glühlampe 160. Dadurch bewirkt die Auslenkung des Rheostats 120 nur eine geringfügige Änderung der Eingangs-(und gleichzeitig Dimm-)Spannung der LED-Lampen. Ein weiteres Problem ist, dass die Senkung der Eingangs-(und Dimm-)Spannung nur den LED-Strom und nicht gleichzeitig die LED-Spannung herabsetzt.
Anhand von 3 wird nun ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Einstellen der Helligkeit wenigstens einer LED 340 in Abhängigkeit einer sich ändernden und durch die Versorgungseinrichtung 100 der wenigstens einen LED 340 bereitgestellten Versorgungsspannung beschrieben, welche die in Zusammenhang mit den 2b und 7 beschriebene LED-Dimmung weiter verbessert. Das Verfahren kann durch eine in den 4 bis 6 gezeigte Steuereinheit implementiert werden.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem ersten Schritt S10 ein Parameter erfasst, welcher auf eine sich ändernde Versorgungsspannung hinweist, die der wenigstens einen LED 340 bereitgestellt wird. Der erfasste Parameter kann ein Spannungswert sein, welcher die von der elektrischen Versorgungseinrichtung 100 bereitgestellte Versorgungsspannung direkt wiedergibt. Alternativ kann der erfasste Parameter auch ein Auslenkungswert des Rheostats 120 sein, welcher proportional zur bereitgestellten Versorgungsspannung ist.
Zur direkten Erfassung der von der elektrischen Versorgungseinrichtung 100 bereitgestellten Versorgungsspannung kann der Schritt S10 die folgenden Unterschritte umfassen. Koppeln eines einen elektrischen Widerstand der Glühlampe 160 simulierenden elektrischen Lastwiderstand 408 mit der elektrischen Versorgungseinrichtung 100; und Erfassen des Parameters durch Messen der am Lastwiderstand 408 abfallenden Spannung. Der die Glühlampe 160 simulierende Lastwiderstand 408 weist hierbei einen Widerstandswert auf, welcher dem Widerstandswert der Glühlampe 160 im Betrieb entspricht. Somit wird mittels des Lastwiderstands 408 der Widerstand der Glühlampe 160 im Stromkreis nachgebildet, wobei die am Lastwiderstand 408 abfallende Spannung (bzw. Teilspannung) der der Glühlampe 160 bereitgestellten Versorgungsspannung entspricht.
Abhängig vom erfassten Parameter, wird in einem darauffolgenden zweiten Schritt S20 eine Steuerspannung der wenigstens einen LED 340 zum Einstellen eines LED-Stroms derart bereitgestellt, dass die wenigstens eine LED 340 über einem durch die Versorgungseinrichtung 100 vorgegebenen Spannungsbereich eine vorgegebene relative Helligkeitsänderung aufweist. Diese kann zu einer Helligkeitsänderung einer Glühlampe 160 ähnlich oder gleich sein. Alternativ kann die Steuerspannung abhängig vom erfassten Parameter auch derart bereitgestellt werden, dass die wenigstens eine LED 340 eine von der Glühlampe 160 abweichende Helligkeitsänderung (Helligkeits-Kennlinie) über dem vorgegebenen Spannungsbereich aufweist.
Die vorgegebene Helligkeitsänderung kann durch Bereitstellen wenigstens einer vorgegebenen Dimmungskennlinie erreicht werden. Die vorgegebene Dimmungskennlinie beschreibt für den vorgegebenen Spannungsbereich eine funktionale Abhängigkeit der Steuerspannung vom erfassten Parameter. Diese funktionale Abhängigkeit kann einer vorgegebenen Potenzfunktion oder Logarithmusfunktion folgen. Gemäß einer Variante kann eine quadratische Dimmungskennlinie bereitgestellt werden, welche eine quadratische Änderung der Steuerspannung in Abhängigkeit des erfassten Parameters beschreibt. Dadurch kann eine quadratische Dimmungscharakteristik analog zur Dimmungscharakteristik der Glühlampe 160 erreicht werden.
Gemäß einer weiteren Variante können die Schritte S10 und S20 in zeitlich aufeinanderfolgenden kurzen Abständen (z. B. in Abständen von einigen Millisekunden) wiederholt werden.
Weitere Implementierungen des hier dargestellten Verfahrens werden in Zusammenhang mit den in den 4 bis 6 dargestellten LED-Lampen beschrieben.
In 4 ist das Schaltbild einer Beleuchtungseinrichtung 40 dargestellt. Diese umfasst die in Zusammenhang mit 1 beschriebene elektrische Versorgungseinrichtung 100 mit Spannungsquelle 110 und Rheostat 120. Ferner umfasst die Beleuchtungseinrichtung 40 eine mit der Versorgungseinrichtung 100 elektrisch gekoppelte LED-Lampe 400. Die LED-Lampe 400 kann derart ausgebildet sein, dass sie über (zwei) elektrische Kontakte mit der Versorgungseinrichtung 100 abnehmbar elektrisch koppelbar ist (in 4 nicht eingezeichnet). Das heißt, die LED-Lampe 400 kann mit der Versorgungseinrichtung 100 jederzeit elektrisch gekoppelt und entkoppelt werden.
Die LED-Lampe 400 umfasst wenigstens eine LED 340 (zur Erzeugung eines weißen Lichts) und einen LED-Treiber 430 mit einem Steuereingang zur Dimmung des LED-Lichts. Der Treiber 430 kann hierbei ein handelsüblicher Treiber (wie in Zusammenhang mit 2b oben beschrieben) sein. Im Gegensatz zu der in 2b gezeigten Konfiguration umfasst die LED-Lampe 400 eine weitere elektrische Steuereinheit (in 4 durch die gestrichelte Box 402 dargestellt), welche ausgangsseitig mit dem LED-Treiber 430 elektrisch gekoppelt ist. Diese Steuereinheit 402 umfasst den in Zusammenhang mit 3 weiter oben beschriebenen Lastwiderstand 408, eine Erfassungseinrichtung 410 (in 4 mit „Sample&Hold” bezeichnet), eine Bereitstellungseinrichtung 420, eine Schalteinrichtung 409 und eine mit der Schalteinrichtung 409 und der Erfassungseinrichtung 410 elektrisch gekoppelte Taktgebereinrichtung 440. Erfassungseinrichtung 410, Bereitstellungseinrichtung 420 und Taktgebereinrichtung 440 sind direkt mit der Versorgungseinrichtung 100 elektrisch gekoppelt. Der Lastwiderstand 408 und der LED-Treiber 430 sind über die Schalteinrichtung 409 mit der Versorgungseinrichtung 100 elektrisch gekoppelt.
Die Taktgebereinrichtung 440 ist dazu ausgebildet, die Schalteinrichtung 409 zwischen einem ersten Schaltzustand und einem zweiten Schaltzustand hin und her zu schalten. Zu diesem Zweck erzeugt die Taktgebereinrichtung 440 eine elektrische Impulsfolge, die aus Stromimpulsen oder Spannungsimpulsen besteht. Die Impulsfolge kann hierbei derart erzeugt sein, dass sie die Stromimpulse oder Spannungsimpulse mit einer vorgegebenen Frequenz wiederholt. Die Stromimpulse oder Spannungsimpulse können beispielsweise mit einer Frequenz zwischen 10 Hz und 10000 Hz, bevorzugt mit einer Frequenz zwischen 100 Hz und 10000 Hz erzeugt sein. Entsprechend wird die Schalteinrichtung 409 zwischen beiden Schaltzuständen mit der eingestellten Frequenz hin und her geschaltet.
Im ersten Schaltzustand verbindet die Schalteinrichtung 409 die elektrische Versorgungseinheit 100 mit dem Lastwiderstand 408, welcher den Widerstandswert R_last aufweist. Zur Erfassung (Messung) der am Lastwiderstand abfallenden Spannung (Teilspannung) U'_dim in Abhängigkeit einer Rheostatbetätigung genügt in der Regel eine kurze Zeitspanne. Diese kann einige μ-Sekunden betragen. Entsprechend wird die Verweilzeit der Schalteinrichtung 409 im ersten Schaltzustand im Wesentlichen auf die benötigte Messzeit beschränkt. Die Verweilzeit kann über die Impulsdauer eines Pulses eingestellt werden. Nach jeder Messung wird die Schalteinrichtung 409 wieder in den zweiten Schaltzustand gebracht. Im zweiten Schaltzustand koppelt die Schalteinrichtung 409 den LED-Treiber 430 mit der Versorgungseinrichtung 100 zur elektrischen Versorgung des Treibers 430. Es bleibt zu bemerken, dass die Schalteinrichtung 409 überwiegend im zweiten Schaltzustand verweilt und lediglich während der Erfassung der am Lastwiderstand 408 abfallenden Teilspannung U'_dim den LED-Treiber 430 von der elektrischen Versorgungseinrichtung 100 entkoppelt. Dies hat aufgrund der kurzen Verweildauer im ersten Schaltzustand keine wesentlichen Auswirkungen auf die Treiber-Versorgung und Treiber-Steuerung. Denn der LED-Treiber 430 weist wenigstens einen Pufferkondensator zum Zwischenspeichern von elektrischer Energie auf. Diese reicht aus, um die kurzen Unterbrechungen zu überbrücken.
Immer dann, wenn der Schalter im ersten Schaltzustand geschaltet ist, kann die am Lastwiderstand anliegende Teilspannung U'_dim (diese hängt von der aktuellen Rheostatauslenkung ab) gemessen werden. Aufgrund der hohen Schaltfrequenz kann die Messung der am Lastwiderstand 408 abfallenden Teilspannung U'_dim pro Zeiteinheit viele Male wiederholt werden (bei dem oben genannten Pulsfolgefrequenz sind 100 bis 10000 Messungen pro Sekunde möglich). Somit kann jede zeitliche Veränderung der am Lastwiderstand anliegenden Teilspannung U'_dim aufgrund einer Rheostatbetätigung „quasikontinuierlich” erfasst werden. Dadurch wird sichergestellt, dass die einzustellende Helligkeitsänderung an jede Widerstandsänderung am Rheostat 120 ohne bemerkbare Verzögerung angepasst wird.
Zur Erfassung der am Lastwiderstand abfallenden Teilspannung U'_dim ist die Erfassungseinrichtung 410 vorgesehen, welche mit dem elektrischen Lastwiderstand 408 gekoppelt ist. Sie erfasst die am elektrischen Lastwiderstand 408 anliegende Potenzialdifferenz. Die Erfassungseinrichtung 410 ist in der in 4 ausgebildeten Steuereinheit 402 als analoge Abtast-Halte-Schaltung (häufig auch als Sample & Hold-Schaltung oder S/H-Schaltung bezeichnet) ausgebildet. Die S/H-Schaltung ist dazu ausgebildet, die am Lastwiderstand 408 abfallende Teilspannung U'_dim abzutasten (Sample) und kurzzeitig festzuhalten (Hold). Die Abtast- und Halte-Phasen der S/H-Schaltung sind hierbei mit den Schaltzuständen der Schalteinrichtung 409 synchronisiert. Konkret werden die Schalteinrichtung 409 und die S/H-Schaltung derart miteinander synchronisiert, dass die S/H-Schaltung die Abtastung vornimmt, wenn die Schalteinrichtung 409 im ersten Schaltzustand ist. Hingegen befindet sich die S/H-Schaltung in der Hold-Phase, wenn die Schalteinrichtung 409 im zweiten Schaltzustand ist. Zur Synchronisation wird der S/H-Schaltung die von der Taktgebereinrichtung 440 bereitgestellte Impulsfolge aufgeprägt. Gemäß einer Implementierung, kann die der S/H-Schaltung bereitgestellte Pulsfolge (Clk1) eine geringe Verzögerung gegenüber der der Schalteinrichtung 409 aufgeprägten Pulsfolge (Clk2) haben. Dadurch wird sichergestellt, dass die S/H-Schaltung mit einer zur Schaltung in dem ersten Schaltzustand geringen zeitlichen Verzögerung in die Sample-Phase schaltet. Durch die geringfügige zeitliche Verzögerung können Einschwingeffekte im Stromkreis beim Schalten in den ersten Zustand von der Messung ausgeblendet werden.
Damit mit der LED 340 eine ähnliche Dimmungscharakteristik wie bei der Glühlampe 160 erreicht wird (siehe 7: quadratische Dimmungscharakteristik), wird die von der Erfassungseinrichtung 410 erfasste und bereitgestellte Teilspannung U'_dim weiterverarbeitet. Dies geschieht durch die Bereitstellungseinrichtung 420, welche eingangsseitig mit der S/H-Schaltung 410 und ausgangsseitig mit dem Steuereingang des LED-Treibers 430 elektrisch verbunden ist.
Die Bereitstellungseinrichtung 420 ist dazu ausgebildet, die von der S/H-Schaltung 410 bereitgestellten Teilspannungen U'_dim in Steuerspannungen U_dim umzuwandeln. Die Bereitstellungseinrichtung 420 kann hierzu eine elektrische Schaltung umfassen, welche die bereitgestellten Teilspannungen U'_dim (als Eingangssignal) in eine Steuerspannung U_dim (als Aussgangssignal) gemäß der folgenden Gleichung überführt: U_dim = a·U'_dim ² mit a = U_{dim max}/(U_bat)². (15)
Mit Hilfe von Gleichung (15) und der Beziehung I_LED = I_{LED max}·(U_dim/U_{dim max}) (siehe Gleichung (4a) oben) ergibt sich folgende Betrachtung: I_LED = I_{LED max}·((a·U'_dim ²)/U_{dim max}) (16a) I_LED = I_{LED max}·(((U_{dim max}/(U_bat)²)·U'_dim ²)/U_{dim max}) (16b) I_LED = I_{LED max}·(U'_dim/U_bat)². (16c)
Da U'_{dim max} = U_bat ist, folgt die Beziehung: I_LED = I_{LED max}·(U'_dim/U'_{dim max})². (17)
Die hier beschriebene Erfassung der am Lastwiderstand abfallenden Teilspannung U'_dim wird im Abstand von z. B. einigen ms wiederholt. So reagiert die Helligkeitseinstellung der LED sehr schnell auf die Verstellung des Serienwiderstands. Dabei spielt der virtuelle Widerstand des LED-Systems keine Rolle, da das Spannungsverhältnis, das vom Rheostat 120 vorgegeben wird, nicht am Eingang des LED-Systems, sondern kurzzeitig am Lastwiderstand 408 (dessen Widerstand der vergleichbaren Glühlampe 160 entspricht) ermittelt wird.
Für die elektrische Leistung der LED in Abhängigkeit der Rheostateinstellung gilt dann mit Hilfe der in Gleichung (3) oben dargelegten allgemeinen Beziehung folgendes:
Wenn am Rheostat der Wert R_rheo = 0 eingestellt ist, so ist U_in = U_bat und es gilt: I_LED = I_{LED max} (18a) P_LED = U_LED·I_LED = U_LED·I_{LED max} = P_{LED max} (= v_e·P_{lampe max}) (18b)
Wird beispielsweise der Rheostat auf den Wert R_rheo = R_lampe = R_last eingestellt, so ist: U'_dim = U'_{dim max}/2 (19a) I_LED = I_{LED max}·((U'_{dim max}/2)/U'_{dim max})² = I_{LED max}/4 (19b) P_LED = U_LED·I_LED = U_LED·I_{LED max}/4 = P_{LED max}/4 (19c)
Aus den Gleichungen (18a/b) und (19a–c) geht hervor, dass eine Auslenkung des Rheostats 120 vom Wert 0 auf den Wert R_lampe die gleiche relative Leistungs- und damit Helligkeitsänderung bewirkt, wie bei der Glühlampe 120 (siehe Gleichungen (2a) und (2b)), nämlich von 100% auf 25%. Mit einem höheren Widerstandswert des Rheostats (R_rheo >> R_lampe) können selbstverständlich auch niedrigere LED Leistungen eingestellt werden.
Allgemein gelten für die LED-Leistung mit der von der Bereitstellungseinrichtung 420 bereitgestellten Steuerspannung (siehe Gleichung 17) folgende äquivalente Zusammenhänge: P_LED = U_LED·I_LED = U_LED·I_{LED max}·(U'_dim/U'_{dim max})² (20a) P_LED = U_LED·I_LED = U_LED·I_{LED max}·(U'_in/U'_{in max})² (20b) P_LED = U_LED·I_LED = U_LED·I_{LED max}·(U_in/U_bat)² (20c) P_LED = U_LED·I_LED = v_e·P_{lampe max}·(U_in/U_bat)² (20d) P_LED = U_LED·I_LED = v_e·(U_in ²/R_lampe) (20e)
Aus den Gleichungen (20a–e) geht hervor, dass die durch die bereitgestellte Steuerspannung U_dim erhaltene Dimmungscharakteristik der LED-Lampe 400 der Dimmungscharakteristik der Glühlampe 160 mit einer v_e-fachen Herunterskalierung entspricht. Die mittels der erfindungsgemäßen Ansteuerung der LED-Lampe 400 erhaltene Dimmungscharakteristik ist durch die punktierte Kurve „P_LED_neu„ in 7a dargestellt. Die normierte Dimmungscharakteristik fällt mit der normierten Dimmungscharakteristik der Glühlampe (P_Lampe_norm) in 7b zusammen und ist daher nicht sichtbar.
Die angegebenen Werte sind beispielhaft. Das Prinzip kann auch auf andere Rheostat-Widerstände, η- und v_e angewandt werden.
Die in der Bereitstellungseinrichtung 420 implementierte quadratische Dimmungskennlinie (V_out = a·V_in ²) kann alternativ auch als Interpolation, bestehend aus mehreren linearen Kennlinien gebildet werden.
Anhand der 5 wird ein weiteres Schaltbild einer Beleuchtungseinrichtung 40a mit einer LED-Lampe 400a gezeigt, welche eine erfindungsgemäße Steuereinheit 402a umfasst, die das in Zusammenhang mit 3 dargestellte Verfahren implementiert.
Der Schaltkreis der LED-Lampe 400a entspricht im Wesentlichen dem Schaltkreis der LED-Lampe 400 in 4. Es sei diesbezüglich auf die Beschreibung in Zusammenhang mit 4 verwiesen. Die LED-Lampe 400a unterscheidet sich lediglich in der Ausgestaltung der Bereitstellungseinrichtung 420a der in der LED-Lampe 400a integrierten Steuereinheit 402a.
Wie in 4 und 5 dargestellt, sind neben dem LED-Treiber 430 auch die Erfassungseinrichtung 410, die Bereitstellungseinrichtung 420, 420a und die Takterzeugungseinrichtung 440 mit der elektrischen Versorgungseinrichtung 100 gekoppelt und werden durch diese elektrisch versorgt. Je nach eingesetzter Spannungsquelle und insbesondere bei Rheostaten mit höheren Widerstandswerten (R_rheo) kann die Eingangsspannung U_in an der LED-Lampe 400a so niedrig eingestellt werden, dass die elektronischen Komponenten der Steuereinheit 402a (d. h. die Erfassungseinrichtung 410, die Bereitstellungseinrichtung 420, 420a und die Takterzeugungseinrichtung 440) nicht mehr funktionieren. Um die Funktionsfähigkeit der elektronischen Komponenten zu gewährleisten, darf die Eingangsspannung U_in eine minimale Spannung U_{in min} nicht unterschreiten. Dies hätte jedoch zur Folge, dass mit der hier beschriebenen Steuereinheit 400a nicht beliebig niedrige LED-Helligkeiten eingestellt werden können.
Liegt der Schwellwert für die minimale Eingangsspannung bei U_{in min} und wird eine glühlampen-ähnliche Charakteristik in dem Arbeitsbereich zwischen U_bat und U_{in min} gewünscht, so dass kurz oberhalb U_{in min} die Helligkeit der LED auf 0% heruntergesetzt werden kann, muss das Steuersignal U_dim am Steuereingang des LED-Treibers 430 weiter modifiziert werden und zwar nach folgenden Überlegungen.
Wenn U'_dim = U'_{dim max} = U_bat ist, soll U_dim = U_{dim max} erreichen (d. h. 100% der LED Helligkeit). Wenn hingegen U'_dim = U_{in min} ist, soll U_dim = 0 werden (d. h. 0% der LED Helligkeit).
Entsprechend wird die in 4 dargestellte Bereitstellungseinrichtung 420 dahingehend weiter modifiziert, dass sie ein Steuersignal U_dim erzeugt und dem LED-Treiber 430 bereitstellt, welches die von der S/H-Schaltung 410 bereitgestellten Teilspannungen U'_dim gemäß der folgenden Gleichung umwandelt: U_dim = a'·(U'_dim – U_{in min})² mit a' = U_{dim max}/(U_bat – U_{in min})². (21)
Ist der Rheostat auf den Wert R_rheo = 0 eingestellt, so ist U'_dim = U_bat und es folgt mit Gleichung 21: U_dim = a'·(U'_dim – U_{in min})² = (U_{dim max}/(U_bat – U_{in min})²)·(U_bat – U_{in min})² = U_{dim max}. (22)
Bei R_rheo = 0 werden somit 100% der LED-Helligkeit erreicht.
Ist hingegen der Rheostat so eingestellt, dass die minimale Eingangsspannung U_in = U_{in min} erreicht ist (also bei maximaler Rheostatbetätigung), so gilt: U_dim = a'·(U'_dim – U_{in min})² = (U_{dim max}/(U_bat – U_{in min})²)·(U_{in min} – U_{in min})² = 0. (23)
Bei R_rheo = R_{rheo max} werden somit 0% der LED-Helligkeit erreicht.
Die Bereitstellungseinrichtung 420a erzeugt somit ein um U_in min Offset-verschobene Steuerspannung.
Anhand der 6 wird ein weiteres Schaltbild einer Beleuchtungseinrichtung 40b mit einer LED-Lampe 400b gezeigt, welche eine erfindungsgemäße Steuereinheit 402b umfasst, die das in Zusammenhang mit 3 dargestellte Verfahren implementiert.
Die LED-Lampe 400b unterscheidet sich von den in 4 und 5 gezeigten LED-Lampen 400 und 400a in der Ausgestaltung der Steuereinheit 402. Anstelle einer analogen S&H Schaltung 410 und Bereitstellungseinrichtung 420, 420a kommt nun ein Mikrokontrollersystem 415 zum Einsatz, welches sowohl die Takterzeugung als auch die quadratische Skalierung (oder Skalierung nach einer anderen Potenzfunktion oder Logarithmusfunktion) der am Lastwiderstand 408 abfallenden erfassten Teilspannung U'_dim und optional die in Zusammenhang mit 5 beschriebene Offsetverschiebung (um den Wert U_{in min}) vornimmt.
Ferner umfasst die Steuereinheit 402b einen A/D-Wandler 416, welcher dazu ausgebildet ist, die am Lastwiderstand 408 abfallende Teilspannung in ein digitales Signal (Bitfolge) umzuwandeln, und einen D/A-Wandler 418, welcher dazu ausgebildet ist, das vom Mikrokontrollersystem 415 bereitgestellte digitale Steuerspannungssignal in eine analoge Steuerspannung umzuwandeln. Schalteinrichtung 409 und elektrischer Lastwiderstand 408 weisen innerhalb der Steuereinheit 402b dieselbe Anordnung und Funktion auf, wie in den Steuereinheiten 400 und 400a der 4 und 5. Es sei diesbezüglich auf die entsprechende Beschreibung weiter oben verwiesen.
Durch die hier beschriebene Technik können LED-Lampen bereitgestellt werden, die eine ähnliche Leistungs-Spannungs-Kennlinie und dementsprechend eine Helligkeits-Spannungs-Kennlinie aufweisen, wie eine Glühlampe, aber mit nur einem Bruchteil der Leistungsaufnahme bei gleicher Lichtausbeute. Die LED-Lampen können somit zum Ersatz herkömmlicher Glühlampen herangezogen werden, ohne dass hierfür die elektrischen Versorgungseinrichtungen angepasst werden müssen. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn elektrische Versorgungseinrichtungen in einem Gerät starr verbaut sind. Dies ist häufig in medizinischen Diagnostikgeräten der Fall.

Claims

Verfahren zum Einstellen der Helligkeit wenigstens einer LED (340) in Abhängigkeit einer sich ändernden und der wenigstens einen LED (340) bereitgestellten Versorgungsspannung, wobei die Versorgungsspannung mittels einer elektrischen Versorgungseinrichtung (100) bereitgestellt wird, die zur Bereitstellung von Versorgungsspannungen über einen vorgegebenen Spannungsbereich ausgebildet ist, um die Helligkeit einer Glühlampe (160) einzustellen, wobei das Verfahren mittels einer Steuereinheit (402; 402a, 402b) ausgeführt wird, welche zur elektrischen Kopplung der elektrischen Versorgungseinrichtung (100) mit der wenigstens einen LED (340) vorgesehen ist, folgende Schritte umfassend: Erfassen eines Parameters, welcher auf die sich ändernde Versorgungsspannung hinweist, wobei der Parameter erfasst wird, indem ein einen elektrischen Widerstand der Glühlampe simulierender elektrischer Lastwiderstand (408) mit der Versorgungseinrichtung (100) wahlweise gekoppelt und entkoppelt wird, und der Parameter durch Messen der am gekoppelten Lastwiderstand (408) abfallenden Spannung erfasst wird; und in Abhängigkeit des erfassten Parameters, Bereitstellen einer Steuerspannung der wenigstens einen LED (340) zum Einstellen eines LED-Stroms derart, dass die wenigstens eine LED (340) über dem vorgegebenen Spannungsbereich eine vorgegebene relative Helligkeitsänderung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bereitstellens einer Steuerspannung umfasst: Berechnen der Steuerspannung auf der Grundlage des erfassten Parameters und wenigstens einer vorgegebenen Dimmungskennlinie, welche für den vorgegebenen Spannungsbereich eine Abhängigkeit der Steuerspannung vom erfassten Parameter gemäß einem vorgegebenen funktionalen Zusammenhang beschreibt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuerspannung derart bereitgestellt wird, dass eine die relative Helligkeitsänderung beschreibende normierte Helligkeits-Spannungs-Kennlinie im Wesentlichen gleich oder ähnlich zu einer normierten Helligkeits-Spannungs-Kennlinie einer Glühlampe (160) über dem vorgegebenen Spannungsbereich ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schritte des Erfassens eines Parameters und des Bereitstellens einer Steuerspannung in zeitlich aufeinanderfolgenden Abständen wiederholt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Schritte des Erfassens eines Parameters und des Bereitstellens einer Steuerspannung mit einer vorgegebenen Frequenz wiederholt werden.
Steuereinheit (402; 402a, 402b) zur Einstellung der Helligkeit wenigstens einer LED (340) in Abhängigkeit einer sich ändernden und der wenigstens einen LED (340) bereitgestellten Versorgungsspannung, wobei die Steuereinheit (402; 402a, 402b) zur elektrischen Kopplung der wenigstens einen LED (340) mit einer elektrischen Versorgungseinrichtung (100) ausgebildet ist, welche zur Bereitstellung von Versorgungsspannungen über einen vorgegebenen Spannungsbereich ausgebildet ist, um die Helligkeit einer Glühlampe (160) einzustellen, umfassend: einen elektrischen Lastwiderstand (408), der einen elektrischen Widerstand der Glühlampe (160) simuliert und zur wahlweisen elektrischen Kopplung und Entkopplung mit der elektrischen Versorgungseinrichtung (100) vorgesehen ist; eine Erfassungseinrichtung (410), welche dazu ausgebildet ist, einen Parameter zu erfassen, welcher auf die sich ändernde Versorgungsspannung hinweist, wobei die Erfassungseinrichtung (410) dazu ausgebildet ist, die bei Kopplung des elektrischen Lastwiderstands (408) mit der elektrischen Versorgungseinrichtung (100) am Lastwiderstand (408) abfallende Spannung zu erfassen und der Bereitstellungseinrichtung als Parameter bereitzustellen; und eine Bereitstellungseinrichtung (420; 420a), welche dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit des erfassten Parameters, eine Steuerspannung der wenigstens einen LED (340) zum Einstellen eines LED-Stroms derart bereitzustellen, dass die wenigstens eine LED (340) über dem vorgegebenen Spannungsbereich eine vorgegebene relative Helligkeitsänderung aufweist.
Steuereinheit (402; 402a, 402b) nach Anspruch 6, wobei die Bereitstellungseinrichtung (420; 420a) dazu ausgebildet ist, die Steuerspannung auf der Grundlage des erfassten Parameters und wenigstens einer vorgegebenen Dimmungskennlinie zu berechnen, welche für den vorgegebenen Spannungsbereich eine Abhängigkeit der Steuerspannung vom erfassten Parameter gemäß einem vorgegebenen funktionalen Zusammenhang beschreibt.
Steuereinheit (402; 402a, 402b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 und 7, ferner umfassend: eine Schalteinrichtung (409), welche zur Realisierung von wenigstens zwei Schaltzuständen ausgelegt ist, wobei die Schalteinrichtung (409) in einem ersten Schaltzustand den Lastwiderstand (408) mit der elektrischen Versorgungseinrichtung (100) elektrisch koppelt.
Steuereinheit (402; 402a, 402b) nach Anspruch 8, ferner umfassend eine mit der Schalteinrichtung (409) elektrisch gekoppelte Taktgebereinrichtung (440), welche dazu ausgebildet ist, eine elektrische Impulsfolge zu erzeugen, um die Schalteinrichtung (409) zwischen den wenigstens zwei Schaltzuständen hin und her zu schalten.
Steuereinheit (402; 402a, 402b) nach Anspruch 9, wobei die Taktgebereinrichtung (440) dazu ausgebildet ist, eine Impulsfolge mit einer vorgegebenen Frequenz zu erzeugen.
Steuereinheit (402; 402a, 402b) nach einem der Ansprüche 9 und 10, wobei die Taktgebereinrichtung (440) ferner mit der Erfassungseinrichtung (410) elektrisch gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, die erzeugte Impulsfolge der Erfassungseinrichtung (410) zur Abtastung der am Lastwiderstand (408) abfallenden Spannung bereitzustellen.
LED-Lampe (400; 400a, 400b), welche zur elektrischen Kopplung mit einer elektrischen Versorgungseinrichtung (100) ausgebildet ist, wobei die elektrische Versorgungseinrichtung (100) zur Bereitstellung von Versorgungsspannungen über einen vorgegebenen Spannungsbereich ausgebildet ist, um die Helligkeit einer Glühlampe (160) einzustellen, umfassend: die Steuereinheit (402, 402a, 402b) nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 11 zur Bereitstellung einer Steuerspannung in Abhängigkeit der durch die Versorgungseinrichtung (100) bereitgestellten Versorgungsspannung; einen mit der Steuereinheit (402, 402a, 402b) elektrisch gekoppelten LED-Treiber (430), welcher dazu ausgebildet, einen LED-Strom für die wenigstens eine LED (340) in Abhängigkeit der bereitgestellten Steuerspannung zu erzeugen; und wenigstens eine mit dem LED-Treiber (430) elektrisch gekoppelte LED (340) zur Erzeugung eines Lichtstroms in Abhängigkeit des bereitgestellten LED-Stroms.
LED-Lampe (400; 400a, 400b) nach Anspruch 12, wobei die LED-Lampe (400; 400a, 400b) für den Einsatz in medizinischen Diagnostikgeräten vorgesehen ist.
LED-Beleuchtungseinrichtung (40; 40a, 40b), umfassend: die LED-Lampe (400; 400a, 400b) nach Anspruch 12 oder 13; und eine mit der LED-Lampe (400; 400a, 400b) gekoppelte elektrische Versorgungseinrichtung (100) welche dazu ausgebildet ist, Versorgungsspannungen über einen vorgegebenen Spannungsbereich bereitzustellen, um die Helligkeit einer Glühlampe (160) stufenlos einzustellen.
LED-Beleuchtungseinrichtung (40; 40a, 40b) nach Anspruch 14, wobei die Versorgungseinrichtung (100) eine Festspannungsquelle (110) und einen veränderbaren Serienwiderstand (120) zur Einstellung der Versorgungsspannung im vorgegebenen Spannungsbereich umfasst, wobei der Lastwiderstand (408) mit dem veränderbaren Serienwiderstand (120) koppelbar ist.
Medizinisches Diagnostikgerät, umfassend eine LED-Beleuchtungseinrichtung (40; 40a, 40b) nach einem der Ansprüche 14 und 15.