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Die Erfindung betrifft den Schutz einer Leuchte vor Übertemperatur.
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In Rede stehende Leuchten sind z. B. solche zur Ausleuchtung eines Innenraumes eines Fahrzeugs, z. B. eine Kabinenbeleuchtung für die Passagierkabine eines Flugzeuges. Derartige Leuchten können im Betrieb heiß werden. Eine Überhitzung der Leuchten ist jedoch in der Regel zu vermeiden.
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Bekannt ist es, Leuchten mit LEDs (Light Emitting Diode) als Lichtquellen mittels einer PWM-Ansteuerung (Pulsweitenmodulation) zu betreiben. Bekannt ist auch eine softwaregesteuerte Abschaltung der PWM-Ansteuerung von LEDs bei Erreichen einer gewissen Temperatur (Grenztemperatur), die mittels Temperatursensor gemessen wird. Bekannt ist auch die analoge Auswertung eines Temperatursensors mittels einer Operationsverstärkerschaltung und die diskrete Abschaltung eines LED-Treiberpfades mit zusätzlichen Transistoren bei Vorliegen einer stabilisierten Eingangsspannung.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Schutz einer Leuchte vor Übertemperatur zu verbessern.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Schutzschaltung gemäß Patentanspruch 1. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sowie anderer Erfindungskategorien ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Die Schutzschaltung dient zur Erzeugung eines Stellsignals, wobei das Stellsignal von einer zu überwachenden Temperatur abhängig ist. Die Schutzschaltung enthält einen Versorgungsanschluss und einen Bezugsanschluss. Zwischen Versorgungsanschluss und Bezugsanschluss liegt beim bestimmungsgemäßen Betrieb der Schutzschaltung eine Versorgungsspannung an. Die Versorgungsspannung ist Schwankungen unterworfen. Die Versorgungsspannung ist insbesondere eine Gleichspannung, insbesondere eine Gleichspannung eines Bordnetzes eines Flugzeuges. Schwankungen sind insbesondere Änderungen im Bereich einiger Prozent, insbesondere bis 40% oder bis 30% oder bis 20% oder bis 10%. Insbesondere ist die Versorgungsspannung eine solche eines 28 V-DC-Flugzeugbordnetzes. Übliche Schwankungen liegen hier beispielsweise im Bereich zwischen 20 und 33 Volt.
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Die Schutzschaltung enthält ein Referenzmodul. Das Referenzmodul ist am Versorgungsanschluss und am Bezugsanschluss angeschlossen. „Anschließen” oder ”Verbinden” bedeutet, dass das betreffende Element mit dem Gegenelement direkt oder unter Zwischenschaltung anderer Komponenten elektrisch verbunden ist. Das Referenzmodul enthält mindestens ein Festelement, welches im Betrieb von der Versorgungsspannung versorgt ist. Die ”Versorgung” bedeutet, dass die gesamte Größe, hier die Versorgungsspannung, oder ein Teil der Größe an dem betreffenden Element anliegt bzw. diesem zugeführt wird.
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Das Festelement weist eine konstante charakteristische Festspannung auf. Das Festelement erzeugt also die entsprechende Festspannung oder eine entsprechende Festspannung fällt an dem Festelement ab, wenn dieses von der Versorgungsspannung versorgt ist. Eine „charakteristische” Festspannung ist derart zu verstehen, dass die entsprechende Spannung beziehungsweise deren Wert dem Element eigen ist und in weiten Teilen unabhängig von einer Größe einer am Element angelegten Spannung oder eines durch das Element fließenden Stromes ist. Eine entsprechende „Konstanz” ist immer im Rahmen tolerierter Abweichungen zu verstehen.
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Das Referenzmodul weist einen Referenzanschluss auf. Der Referenzanschluss ist mit den Festelementen verschaltet. ”Verschaltet” bedeutet, dass sich die Referenzspannung auf den Referenzanschluss bzw. dessen Spannung zum Bezugsanschluss auswirkt bzw. hierauf abgebildet wird, mit dieser korreliert ist. Zwischen dem Referenzanschluss und dem Bezugsanschluss liegt im Betrieb eine Referenzspannung an. Die Referenzspannung ist daher mit den Festspannungen korreliert und konstant. Unter der „Korrelation” zwischen Festspannungen und Referenzspannung ist zu verstehen, dass die Referenzspannung entweder einer oder einer Summe der Festspannungen entspricht oder ein beliebiges, jedoch fest gewähltes Vielfaches oder Bruchteil der Festspannung oder Festspannungen beträgt. Insbesondere bedeutet eine ”Konstanz” von Festspannung oder Referenzspannung, dass diese sich in Bezug auf die erlaubten Schwankungen beziehungsweise bestimmungsgemäßen Schwankungen der Versorgungsspannung nur unwesentlich, das heißt im Rahmen erlaubter Toleranzen, ändert. Mit anderen Worten sind in der konstanten Referenzspannung also die Schwankungen der Versorgungsspannung zumindest größtenteils eliminiert. Zumindest sind entsprechende Schwankungen in der Referenzspannung tolerierbar klein im Rahmen der erwünschten Genauigkeiten.
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Die Schutzschaltung enthält ein Temperaturmodul. Das Temperaturmodul ist am Referenzanschluss und am Bezugsanschluss angeschlossen. Das Temperaturmodul enthält mindestens ein Temperaturelement. Jedes der Temperaturelemente ist von der Referenzspannung versorgt, d. h. an ihm liegt zumindest ein Teil der Referenzspannung an. Jedes der Temperaturelemente ist im Betrieb mit der zu überwachenden Temperatur beaufschlagt. Jedes der Temperaturelemente weist mindestens eine elektrische Eigenschaft auf, die von der Temperatur abhängig ist. Das Temperaturmodul weist einen Temperaturanschluss auf. Der Temperaturanschluss ist mit den Temperaturelementen verschaltet. Eine temperaturabhängige elektrische Eigenschaft des Temperaturelements ist insbesondere dessen Widerstand und/oder Kapazität und/oder Induktivität und/oder Frequenzeigenschaften usw. Unter der Verschaltung zur Umsetzung der elektrischen Eigenschaften des Temperaturelements auf den Temperaturanschluss beziehungsweise die Stellspannung ist zu verstehen, dass sich die betreffende elektrische Eigenschaft in Abhängigkeit der Temperatur ändert und dies durch die Verschaltung Auswirkung auf die Höhe der Stellspannung hat. Die Folge dieser Verschaltung ist daher, dass die Stellspannung ebenfalls von der Temperatur abhängig ist. Die Verschaltung dient zur Umsetzung der temperaturabhängigen elektrischen Eigenschaft auf den Temperaturanschluss. Bei einer Änderung der Temperatur ändert sich also die elektrische Eigenschaft. Dank der Verschaltung schlägt sich diese Veränderung in einer Veränderung der Stellspannung nieder. Zwischen dem Temperaturanschluss und dem Bezugsanschluss liegt im Betrieb daher eine von der Temperatur abhängige Stellspannung an.
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Die Schutzschaltung enthält ein Umsetzmodul, das am Temperaturanschluss und am Bezugsanschluss angeschlossen ist. Das Umsetzmodul weist einen Ausgang auf. Am Ausgang ist im Betrieb das Stellsignal bereitgestellt. Das Umsetzmodul weist eine Umsetzungsvorschrift zwischen der Stellspannung und dem Stellsignal auf.
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Das Umsetzmodul kann ein aktives Umsetzmodul sein, welches dann in der Lage ist, das entsprechende Stellsignal (auch mit beinhalteter Leistung) zu erzeugen. Hierzu ist das Umsetzmodul insbesondere durch die Versorgungsspannung versorgt, beispielsweise am Versorgungsanschluss angeschlossen. Die Umsetzungsvorschrift bildet also jede jeweilige Stellspannung auf ein bestimmtes Stellsignal ab. Da die Stellspannung von der Temperatur am Temperaturelement abhängig ist, ist somit auch das Stellsignal von der Temperatur am Temperaturelement abhängig. Aufgrund der Verminderung der Schwankungen bereits bei der Referenzspannung und aufgrund der Tatsache, dass die folgende Verarbeitung lediglich von der Referenzspannung abhängt, ist die temperaturabhängige Schaltspannung von den Schwankungen der Versorgungsspannung unabhängig. Die Referenzspannung ist zwar von der Versorgungsspannung unabhängig, jedoch nach wie vor temperaturabhängig mit dem bekannten Temperaturkoeffizienten von etwa – 2 mV/Kelvin. Erst in Kombination mit dem Umsetzmodul, insbesondere mit einem Schalttransistor (siehe unten), ergibt sich eine Kompensation über der Temperatur aufgrund dessen gleicher Eigenschaften.
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Das Stellsignal ist z. B. ein Innenwiderstand des Ausgangs (zu einem Bezugspunkt, z. B. dem Bezugsanschluss, ein am Ausgang erzeugtes Potential bzw. eine Spannung zum Bezugspunkt oder ein am Ausgang abgegebener oder aufgenommener Strom. Die Umsetzungsvorschrift ist z. B. eine Spannungs-Widerstands-, eine Spannungs-Spannungs- oder eine Spannungs-Strom-Kennlinie.
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Gemäß der Erfindung ist somit ein eingangsspannungsunabhängiger Übertemperaturschutz von Leuchten, insbesondere von LED-Leuchten, ermöglicht.
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Dies wird erreicht, indem beispielsweise durch ein geeignet gewähltes Stellsignal und eine Schaltungsverbindung zur Leuchte oder zur Leuchtensteuerung bei steigender Temperatur der Betriebsstrom für die Leuchte gesenkt wird. Die eigentliche Leistung der Schutzschaltung besteht hierbei in der Eliminierung der Schwankungen der Versorgungsspannung und in der Bereitstellung des temperaturabhängigen Stellsignals, welches wiederum als temperaturabhängige Ausgangsgröße für eine nachgeordnete Schaltung beziehungsweise Logik zur eigentlichen Ansteuerung einer Leuchte dient.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Stellsignal ein Innenwiderstand des Umsetzmoduls zwischen Ausgang und Bezugsanschluss ist. Wird am Ausgang eine Schalteingang eines Schaltelements, z. B. die Basis eines Transistors, angeschlossen, so kann z. B. durch Absenkung eines anfänglichen Innenwiderstandes auf nahezu Null der Schalteingang auf das Potential des Bezugsanschlusses (Masse) gezogen werden, um mit Hilfe des Schaltelements die Leuchte zu dimmen und schließlich auszuschalten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Festelemente zwischen dem Bezugsanschluss und dem Referenzanschluss angeschlossen. Insbesondere sind keine weiteren Bauteile zwischen Bezugsanschluss und Referenzanschluss angeschlossen. Insbesondere sind die Festelemente in Reihenschaltung angeordnet. Bei Reihenschaltung der Festelemente ist die Referenzspannung gleich der Summe der Festspannungen. Insbesondere enthält das Referenzmodul außerdem einen Vorwiderstand zwischen dem Referenzanschluss und dem Versorgungsanschluss. Die Festelemente enthalten oder sind insbesondere eine oder mehrere Dioden oder Zenerdioden. Bei entsprechender Beschaltung mit einem Vorwiderstand haben diese Festelemente die Eigenschaft, dass an ihnen eine weitestgehend von der Versorgungsspannung unabhängige Festspannung abfällt.
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In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform sind mindestens zwei gleiche Festelemente in Reihenschaltung zwischen dem Bezugsanschluss und dem Referenzanschluss angeschlossen. Insbesondere sind genau zwei gleiche Festelemente angeschlossen. Gleiche Festelemente sind insbesondere solche, die auch die jeweils gleiche Festspannung in Reihenschaltung erzeugen, wenn durch diese aufgrund der Reihenschaltung der gleiche Strom fließt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Festelement ein als Diode geschalteter Transistor. Insbesondere ist der Transistor ein NPN-Transistor. Die Diodenbeschaltung erfolgt, indem die Basis des Transistors mit dessen Kollektor verbunden, insbesondere kurzgeschlossen, ist. Ein entsprechend geschalteter Transistor weist eine charakteristische Festspannung als Basis-Emitter-Spannung auf.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Temperaturelement ein temperaturabhängiger ohmscher Widerstand, dessen von der Temperatur abhängige Eigenschaft sein ohmscher Widerstandswert ist. Insbesondere ist der temperaturabhängige Widerstand ein NTC-Widerstand (Negative Temperature Coefficient), dessen elektrischer ohmscher Widerstand mit steigender Temperatur sinkt. Entsprechende Widerstände weisen ein besonders geeignetes Temperaturverhalten auf und sind kommerziell vielfältig und preisgünstig verfügbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Temperaturmodul eine ohmsche Spannungsteilerschaltung, die zwei ohmsche Widerstandselemente enthält. Zwischen den Widerstandselementen liegt ein Mittenanschluss. Der Mittenanschluss ist am Temperaturanschluss angeschlossen. Jedes der Temperaturelemente ist zumindest ein Teil eines der ohmschen Widerstandselemente. Insbesondere enthält die Spannungsteilerschaltung einen einzigen Zweig mit zwei ohmschen Einzelwiderständen, wobei einer der Einzelwiderstände das Temperaturelement in Form eines ohmschen Temperaturwiderstandes ist. Insbesondere ist in diesem Spannungsteiler der zweite Einzelwiderstand ein Festwiderstand oder ebenfalls ein temperaturabhängiger Widerstand. Insbesondere ist der Mittenanschluss ohne Zwischenschaltung sonstiger Bauteile mit dem Temperaturanschluss verbunden. Der Festwiderstand ist insbesondere einstellbar, zum Beispiel ein Potentiometerabschnitt, um einen Arbeitspunkt der Spannungsteilerschaltung bezüglich einer bestimmten Mittenspannung bei einer bestimmten Temperatur einstellen zu können.
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In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform enthält die Spannungsteilerschaltung also ausschließlich einen einzigen temperaturabhängigen Widerstand als Temperaturelement zwischen Referenzanschluss und Mittenanschluss und einen Festwiderstand zwischen Mittenanschluss und Bezugsanschluss. Auch der umgekehrte Fall ist denkbar, dann ist das Temperaturelement zwischen Mittenanschluss und Bezugsanschluss enthalten und der Festwiderstand zwischen Referenzanschluss und Mittenanschluss. Eine entsprechende Spannungsteilerschaltung ist besonders unaufwändig und kostengünstig zu realisieren.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Umsetzmodul eine Schwellwertschaltung. Im Betrieb weist die Schwellwertschaltung für Stellspannungen mit Werten unterhalb eines Grenzwertes eine erste Wertegruppe des Stellsignals aus. Für Stellspannungen mit Werten oberhalb des Grenzwertes weist die Schwellwertschaltung eine zweite Wertegruppe des Stellsignals auf. Mit anderen Worten werden im Betrieb die entsprechenden Stellsignale von der Schwellwertschaltung erzeugt. Insbesondere ist die erste Wertegruppe ein Konstantwert und die zweite Wertegruppe eine vom Konstantwert aus stetig abnehmende Kurve, jeweils über einer ansteigenden Stellspannung betrachtet. Da die entsprechende Stellspannung, bei der der Grenzwert erreicht wird, mit einer bestimmten Grenztemperatur am Temperaturelement korreliert ist, gibt die Schutzschaltung also für Temperaturwerte unterhalb einer Grenztemperatur Stellsignal der ersten Wertegruppe und oberhalb der Grenztemperatur ein Stellsignal der zweiten Wertegruppe aus. Somit kann beispielsweise eine Abschaltung oder das allmähliche Dimmen einer Leuchte ab der entsprechenden Grenztemperatur durch Weiterverarbeitung des Stellsignals erfolgen. Beim Dimmen ergibt sich kein „hartes” Abschalten der Leuchte bei Erreichen der Grenztemperatur, sondern eine allmählich dunkler werdende Leuchte bei ansteigender Temperatur oberhalb der Grenztemperatur. Die Charakteristik des Umsetzmoduls kann so insbesondere auf drei Wertegruppen angepasst werden: In einer ersten Wertegruppe ist das Stellsignal so beschaffen, dass das zu schaltende Element (insbesondere eine Leuchte) vollständig eingeschaltet ist. In der zweiten Wertegruppe (W2) erfolgt eine allmähliche Leistungsabsenkung am Element (ein Dimmen der Leuchte), insbesondere nahezu linear, in der dritten Wertegruppe (W3) ist das Element ausgeschaltet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Umsetzmodul ein Transistor und das Stellsignal dessen Kollektor-Emitter-Widerstand. Die Umsetzungsvorschrift ist dann durch die Kennlinien des Transistors gebildet. Der Transistor ist insbesondere ein NPN-Transistor, dessen Basis an den Mittenanschluss, dessen Emitter an den Bezugsanschluss und dessen Kollektor am Ausgang angeschlossen ist. Das Umsetzmodul wird dabei im Kern durch einen linearen Kennlinienbereich des Transistors gebildet. Dieser kann auch als lineares Stellglied bezeichnet werden.
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Besonders vorteilhaft ist die gleiche Ausführung aller drei Transistoren, nämlich der zwei Transistoren als Festelemente und des einen Transistors als Umsetzmodul zusammen mit dem ohmschen Spannungsteiler. Als Referenzspannung ergibt sich so die doppelte Basis-Emitter-Schwellspannung des Umsetzmoduls. Wird dann der Spannungsteiler so dimensioniert, dass dieser bei der Grenztemperatur ein Widerstandsverhältnis von 1:1 aufweist, liegt auch am Temperaturanschluss die Basis-Emitter-Schwellspannung an und das Umsetzmodul beginnt genau an dem Punkt zu schalten bzw. dessen Transistor zu leiten. So ändert sich genau an diesem Punkt das Stellsignal in Form des Kollektor-Emitter-Widerstandes, was in einer nachfolgenden Schaltung leicht als Beginn eines Dimmens der Leuchte umgesetzt werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 11. Das Verfahren und zumindest ein Teil dessen Ausführungsformen sowie die jeweiligen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Schutzschaltung erläutert.
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Das Verfahren ist ein Verfahren zum Erzeugen eines Stellsignals, wobei das Stellsignal von einer zu überwachenden Temperatur abhängig ist. In dem Verfahren wird eine Versorgungsspannung bereitgestellt, die Schwankungen unterworfen ist. Aus der Versorgungsspannung wird mit Hilfe eines Festelements eine konstante Referenzspannung erzeugt. Das Festelement weist hierbei eine konstante charakteristische Festspannung auf.
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Aus der Referenzspannung wird mit Hilfe mindestens eines Temperaturelements eine Stellspannung erzeugt, die von der Temperatur abhängig ist. Dabei weist das Temperaturelement mindestens eine elektrische Eigenschaft auf, die von der Temperatur abhängig ist. Aus der Stellspannung wird abschließend anhand einer Umsetzungsvorschrift das Stellsignal erzeugt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung durchgeführt. Die genannten Vorteile der Schutzschaltung ergeben sich sinngemäß somit auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch eine Beleuchtungsanordnung gemäß Patentanspruch 13. Die Beleuchtungsanordnung und zumindest Teile deren Ausführungsformen sowie die jeweiligen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder der erfindungsgemäßen Schutzschaltung erläutert.
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Die Beleuchtungsanordnung enthält eine Leuchte sowie eine erfindungsgemäße Schutzschaltung und ein Steuermodul zum Betreiben der Leuchte anhand der Schaltspannung. Die zu überwachende Temperatur ist die Temperatur der Leuchte und/oder des Steuermoduls. Dabei kann die Temperatur des gesamten jeweiligen Elements überwacht werden oder auch die Temperatur eines Teils davon, z. B. einer einzelnen Lichtquelle oder eines ICs (Integrated Circuit) oder Gehäuses der Leuchte oder einer Platine bzw. Elektronik oder Gehäuses des Steuermoduls.
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Das Betreiben der Leuchte schließt deren Einschalten auf Nennleistung und deren Ausschalten auf Nullleistung sowie deren Dimmen (Teilleistung zwischen Null und Nennleistung) mit ein. Dimmen bedeutet also einen Betrieb der Leuchte zwischen dem ausgeschalteten und dem vollständig eingeschalteten Zustand.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Leuchte eine LED-Leuchte. Das Steuermodul ist ein Treibermodul für die Leuchte, insbesondere mit einem Eingangstransistor zu deren Leistungssteuerung. Das Stellsignal bzw. der Schaltausgang wird dann dem Steuereingang bzw. der Basis des Eingangstransistors mit einem Pull-Up-Widerstand zugeführt. Somit ist die Erfindung insbesondere für LED-Leuchten anwendbar. Je nach Ansteuerung des Eingangstransistors mit Werten zwischen einem hochohmigen und einem vergleichsweise niederohmigen Widerstand des Ausgangs des Umsetzmoduls wird die Leuchte mit 100 Prozent bis 0 Prozent ihrer Nennleistung betrieben. Somit kann die Leuchte insbesondere ein- und ausgeschaltet werden und gedimmt werden.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 14. Das Verfahren und zumindest ein Teil dessen Ausführungsformen sowie die jeweiligen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Schutzschaltung und/oder Leuchtenanordnung und/oder dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erzeugen einer Schaltspannung erläutert.
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Das Verfahren dient zum Betreiben einer Leuchte. Gemäß dem Verfahren wird die Leuchte bis zu einer vorgebbaren Grenztemperatur unbeeinflusst, insbesondere mit ihrer Nennleistung, betrieben. Bei Überschreiten der Grenztemperatur wird die Leuchte mit weiter zunehmender Temperatur zunehmend gedimmt. Die Temperatur ist insbesondere die Temperatur der Leuchte oder eines die Leuchte ansteuernden Steuermoduls oder deren jeweiliger Bestandteile. ”Unbeeinflusst” heißt, dass die Leuchte nach Wunsch angesteuert bzw. betrieben wird, z. B. ein- und ausgeschaltet und gedimmt wird. Ab der Grenztemperatur wird jedoch ein zunehmendes Dimmen erzwungen. Die Leuchte kann nach wie vor wunschgemäß ein- und ausgeschaltet werden, die maximal wählbare Helligkeit wird jedoch auf den maximal erlaubten Dimmzustand abgesenkt bzw. die wählbare Helligkeit auf ein Maximum begrenzt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung und/oder mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erzeugen einer Schaltspannung durchgeführt. Dabei wird die Leuchte anhand der Schaltspannung betrieben und gedimmt. Alternativ oder zusätzlich wird das Verfahren an einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung durchgeführt, wobei die Leuchte die Leuchte der Beleuchtungsanordnung ist.
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Die erfindungsgemäßen Komponenten eignen sich besonders zur Durchführung dieser Verfahrensvariante.
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Die Erfindung beruht auf folgenden Überlegungen und Erkenntnissen, wobei Ausführungsformen der Erfindung, auch in Kombination der oben genannten Ausführungsformen, gegebenenfalls auch bisher nicht erwähnte Ausführungsformen, wie folgt zusammengefasst werden:
Bei einer LED-Leuchte bzw. einer LED-Platine soll eine temperaturabhängige Abschaltung der LEDs ab 75 Grad Celsius erfolgen, um den Geräteschutz zu gewährleisten. Trotzdem sollte das Gerät im Temperaturbereich bis mindestens 85 Grad Celsius bei anliegender Betriebsspannung (Versorgungsspannung) nicht beschädigt werden. Gleichzeitig ist ein flexibler Eingangsspannungsbereich (Versorgungsspannung mit Schwankungen) gefordert, insbesondere eine Gleichspannung zwischen 20 Volt und 33 Volt. Eine Spannungsreglerschaltung soll aus Platz- und Kostengründen nicht vorgesehen werden. Eine simple LED-Treiberschaltung kann mit sehr variablen Eingangsspannungen umgehen. Schwieriger ist jedoch ein simpler Temperaturschutz, dessen Abschaltcharakteristik nicht von der Spannung bzw. deren Höhe (Versorgungsspannung mit Schwankungen) abhängen soll.
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Bei simplen Leuchten, die beispielsweise an einem 28-Volt-Gleichspannungsflugzeugbordnetz betrieben werden, könnte als mögliche Art der Realisierung auf eine Abschaltung bei hoher Temperatur verzichtet werden, da meist eine geringe Leistungsaufnahme gegeben ist und somit eine zu starke Erwärmung auszuschließen ist. Des Weiteren sind aufwändigere Ansätze mittels softwaregesteuerter PWM und diskretem Temperatursensor denkbar. Denkbar wäre auch, einen aktiven Spannungswandler oder eine Spannungsstabilisierung zu verwenden, damit die nachfolgende Elektronik (Temperaturauswertung) mit Konstantspannung betrieben wird und somit die Schwankungen in der Versorgungsspannung eliminiert wären. Hier würde zusätzlich dennoch eine Abschaltstufe z. B. mittels NTC und Transistor notwendig sein, um die geforderte Übertemperaturabschaltung zu realisieren.
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Gemäß der Erfindung wird jedoch ein spannungsunabhängiger Referenzpunkt in Form der konstanten Referenzspannung geschaffen, sodass ein verwendetes Temperaturelement (NTC-Widerstand) bei Erreichen einer vorgebbaren Temperaturschwelle (Dimensionierung des Festwiderstandes im ohmschen Spannungsteiler) dafür sorgt, dass über das Umsetzmodul (Transistorschaltung) und eine nachfolgende Beschaltung der Strom in die Leuchte beziehungsweise LED reduziert beziehungsweise auf null gesenkt wird. Bei sinkender Temperatur wird der Versorgungsstrom der Leuchte, insbesondere der LED-Strom, wieder größer. Dies schützt die Leuchte beziehungsweise LEDs sicher, sowohl bei zu hoher Umgebungstemperatur als auch bei übermäßiger Erwärmung durch die eigene Verlustleistung.
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Die Schutzschaltung gemäß der Erfindung ist sehr einfach und kostengünstig umsetzbar, es werden nur wenige Bauteile und einfache Bauteile benötigt, statt einer teuren Implementierung mit einem Temperatursensor IC und einer Software/PWM oder aufwändiger Operationsverstärkerschaltung. Die Erfindung ist für ”nicht intelligente” LED-Steuerungen einsetzbar. Minimal werden nur sechs zusätzliche simple Bauteile, nämlich drei Transistoren, zwei Widerstände und ein NTC-Widerstand benötigt. Der Schalttransistor (siehe unten die Figuren, Bezugszeichen 38) ist essentieller Bestandteil der Schutzschaltung. Durch die schaltungstechnische Anordnung der baugleichen Transistoren wird der gewünschte Effekt erzielt.
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Gemäß der Erfindung ergibt sich das Umsetzen einer Kennlinie eines Temperaturelements (NTC-Kennlinie) auf die direkte Ansteuerung eines LED-Treibers mit Hilfe einer spannungsstabilisierten Schutzschaltung (Transistorschaltung). Die erfindungsgemäße Schutzschaltung kann insbesondere in einer Schaltung für ein Spotlight in einer Innenraumbeleuchtung eines Flugzeuges verwendet werden.
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Erfindungsgemäß erfolgt ein eingangsspannungsunabhängiger Übertemperaturschutz von Leuchten, insbesondere LED-Leuchten, mittels eines NTC-Widerstandes und einer Transistorschaltung. Die Erfindung beschreibt ein elektronisches Schaltungskonzept zum Schutz einer LED-Treiberschaltung vor Zerstörung bei zu hoher Betriebstemperatur durch Abregelung des Betriebsstromes mittels einer temperaturabhängigen, spannungsunabhängigen Schutzschaltung.
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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 eine erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung,
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2 einen Verlauf eines Stellsignals über der Temperatur.
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1 zeigt eine nur symbolisch angedeutete Beleuchtungsanordnung 50 mit einer Leuchte 52, hier einem LED-Array, von dem stellvertretend nur eine LED gezeigt ist. Die Beleuchtungsanordnung 50 enthält ein Steuermodul 54 zum Betreiben der Leuchte 52 und eine Schutzschaltung 2. Das Steuermodul 54 ist ein Treibermodul für die Leuchte 52. Vom Steuermodul 54 ist symbolisch lediglich ein Transistor mit Pull-Up-Widerstand zu einer Versorgungsspannung UV dargestellt. Anhand des Steuermoduls 54 kann die Leuchte 52 nach Wunsch eingeschaltet, ausgeschaltet oder gedimmt werden.
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Eine Temperatur T der Leuchte 52 ist durch eine Schutzschaltung 2 zu überwachen. Sobald die Temperatur T eine Grenztemperatur TG überschreitet, soll die Leuchte 52 mit ansteigender Temperatur T gedimmt und schließlich abgeschaltet werden, d. h. die Leuchte 52 bleibt nach Wunsch betreibbar, jedoch wird die maximal wählbare Helligkeit abgesenkt.
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Die Schutzschaltung 2 dient zur Erzeugung eines Stellsignals S, welches von der zu überwachenden Temperatur T abhängig ist. Das Stellsignal S dient wiederum dazu, die Leuchte 52 im obigen Sinne zu dimmen und abzuschalten.
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Die Schutzschaltung 2 enthält einen Versorgungsanschluss 4 und einen Bezugsanschluss 6. Beide dienen der Versorgung mit einer Gleichspannung in Form einer Versorgungsspannung UV mit nominell 28 Volt Spannung, welche im regulären Betrieb Schwankungen von 20 Volt bis 33 Volt unterworfen ist. Der Bezugsanschluss 6 ist ein Masseanschluss. Zwischen dem Versorgungsanschluss 4 und dem Bezugsanschluss 6 liegt also beim bestimmungsgemäßen Betrieb der Schutzschaltung 2 die Versorgungsspannung UV an.
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Am Versorgungsanschluss 4 und dem Bezugsanschluss 6 bzw. zwischen diesen ist ein Referenzmodul 8 angeschlossen, welches in 1 durch eine gestrichelte Umrandung angedeutet ist. Das Referenzmodul 8 enthält zwei Festelemente 10a, b. Die Festelemente 10a, b sind im Beispiel gleiche Elemente und sind Transistoren des Typs BC846S und hier als zwei Teile eines einzigen Zweitransistorchips realisiert. Die Festelemente 10a, b in Form der Transistoren sind jeweils als Diode geschaltet, indem deren jeweiliger Kollektor C mit dessen jeweiliger Basis B kurzgeschlossen ist. Jedes der Festelemente 10a, b weist daher bei Bestromung durch Emitter E und Kollektor C eine charakteristische bzw. für einen weiten Strombereich nahezu konstante Festspannung UFa, b auf, wobei die Festspannungen UFa, b im vorliegenden Fall gleich sind. Hierbei handelt es sich um die charakteristische Basis-Emitter-Spannung der Transistoren.
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Das Referenzmodul 8 weist einen Referenzanschluss 12 auf, der mit den Festelementen 10a, b verschaltet ist. Im Beispiel sind ausschließlich die beiden Festelemente 10a, b zwischen dem Referenzanschluss 12 und dem Bezugsanschluss 6 in Reihenschaltung angeschlossen und somit mit dem Referenzanschluss 12 verschaltet. Das Referenzmodul 8 enthält außerdem noch einen einzelnen Vorwiderstand 14, hier einen ohmschen Widerstand, welcher zwischen den Bezugsanschluss 12 und den Versorgungsanschluss 4 geschaltet ist. Der Vorwiderstand 14 ist so dimensioniert, dass bei allen Stromflüssen die bei allen Schwankungen der Versorgungsspannung UV, die im regulären Betrieb zu erwarten sind, die Festspannungen UFa, b ausreichend konstant sind, d. h. die Schwankungen in den Festspannungen UFa, b eliminiert sind.
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Die Festelemente 10a, b sind im Betrieb von der Versorgungsspannung UV versorgt, d. h. ein Teil der Versorgungsspannung UV fällt an jedem der Festelemente 10a, b ab. Zwischen dem Referenzanschluss 12 und dem Bezugsanschluss 6 liegt im Betrieb eine Referenzspannung UR an, welche mit den Festspannungen UFa, b korreliert ist. Im vorliegenden Fall ist die Referenzspannung UR die Summe der Festspannungen UFa, b, d. h. UR = UFa + UFb.
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Die Schutzschaltung 2 enthält außerdem ein am Referenzanschluss 12 und am Bezugsanschluss 6 angeschlossenes Temperaturmodul 16, welches wieder durch einen gestrichelten Rahmen angedeutet ist. Das Temperaturmodul 16 enthält ein Temperaturelement 18, welches von der Referenzspannung UR versorgt ist (zumindest ein Teil der Referenzspannung UR fällt hier ab) und welches im Betrieb mit der zu überwachenden Temperatur T beaufschlagt ist. Das Temperaturelement 18 weist eine elektrische Eigenschaft 20 (hier nur symbolisch angedeutet) auf, die von der Temperatur T abhängig ist. Im Beispiel ist das Temperaturelement 18 ein temperaturabhängiger ohmscher Widerstand, dessen von der Temperatur T abhängige Eigenschaft 20 sein ohmscher Widerstandswert ist. Der ohmsche Widerstand ist ein NTC-Widerstand. Das Temperaturmodul 16 weist einen Temperaturanschluss 22 auf, der mit dem Temperaturelement 18 verschaltet ist. Die Verschaltung erfolgt derart, dass die elektrische Eigenschaft 20 auf den Temperaturanschluss 22 umgesetzt wird.
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Im Beispiel ist das Temperaturmodul 16 eine ohmsche Spannungsteilerschaltung beziehungsweise ein ohmscher Spannungsteiler, die zwei ohmsche Widerstandselemente 24a, b enthält, wobei zwischen den Widerstandselementen 24a, b ein Mittenanschluss 26 der Spannungsteilerschaltung am Temperaturanschluss 22 angeschlossen ist beziehungsweise diesen bildet. Das Temperaturelement 18 ist zumindest ein Teil des, im vorliegenden Fall das gesamte ohmsche Widerstandselement 24a. Die Spannungsteilerschaltung enthält also einen einzigen temperaturabhängigen Widerstand in Form des Widerstandselements 24a als Temperaturelement 18 zwischen dem Referenzanschluss 12 und dem Mittenanschluss 26 und einen Festwiderstand in Form des Widerstandselements 24b zwischen Mittenanschluss 26 und Bezugsanschluss 6. Das Widerstandselement 24a ist also ein einziger temperaturabhängiger Widerstand 28. Das Widerstandselement 24b ist ein einziger Festwiderstand 30.
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Zwischen dem Temperaturanschluss 22 und dem Bezugsanschluss 6 ergibt sich im Betrieb eine von der Temperatur T abhängige Stellspannung UT.
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Die Schutzschaltung 2 enthält außerdem ein Umsetzmodul 32, wieder durch einen gestrichelten Rahmen angedeutet, welches am Temperaturanschluss 22 und am Bezugsanschluss 6 angeschlossen ist. Das Umsetzmodul 32 weist einen Ausgang 34 auf, wobei das Umsetzmodul 32 zwischen Ausgang 34 und dem Bezugsanschluss 6 im Betrieb einen veränderlichen Innenwiderstand RI (Ausgangsimpedanz) aufweist. Der Innenwiderstand RI stellt ein Stellsignal S der Schutzschaltung 2 dar. Der Transistor arbeitet im Linearbetrieb, weshalb das Stellsignal S ein (analoges) Stellsignal bzw. eine Stellgröße ist. Das Umsetzmodul 32 enthält eine hier nur angedeutete Umsetzungsvorschrift 36 zwischen der Stellspannung UT und dem Stellsignal S.
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Im Beispiel ist das Umsetzmodul 32 eine Schwellwertschaltung, die im Betrieb für Stellspannungen UT mit Werten unterhalb eines Grenzwertes G eine erste Wertegruppe W1 des Stellsignals S und für Stellspannungen UT mit Werten oberhalb des Grenzwertes G eine zweite Wertegruppe W2 des Stellsignals S ausgibt.
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Im Beispiel ist das Umsetzmodul 32 ebenfalls ein Transistor 38 vom Typ BC846S, der ebenfalls als ein einzelner Transistor eines entsprechenden Doppeltransistors wie die Festelemente 10a, b ausgeführt ist. Die Umsetzungsvorschrift 36 ist durch die nach der Beschaltung relevanten Kennlinien des Transistors gebildet. Der Transistor ist also wieder ein NPN-Transistor, dessen Basis B am Mittenanschluss 26, dessen Emitter E am Bezugsanschluss 6 und dessen Kollektor C am Ausgang 34 angeschlossen ist.
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2 zeigt in einem rein qualitativen Diagramm den Zusammenhang zwischen der Stellspannung UT und dem Stellsignal S in Bezug auf den Grenzwert G. Der Grenzwert G wird im Beispiel bei einer Grenztemperatur TG von 75 Grad Celsius beziehungsweise der sich dabei einstellenden Stellspannung UT des Grenzwertes G erreicht. Der Grenzwert G ist derjenige Wert der Spannung UT, welcher bei der Temperatur T in Form der Grenztemperatur TG erreicht ist.
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Im Folgenden wird die Funktionsweise der Schutzschaltung 2 beschrieben. Durch die Reihenschaltung von zwei NPN-Transistoren in Form eines Doppeltransistors, also der Festelemente 10a, b gegen Masse (Bezugsanschluss 6), die als Dioden geschaltet sind (jeweils Basis B mit dem eigenem Kollektor C verbunden), wird ein Referenzpotential beziehungsweise die Referenzspannung UR von zwei Mal der Basis-Emitter-Spannung (UBE) der NPN-Transistoren erzeugt. Parallel dazu wird ein NTC-Widerstand in Form des Temperaturelements 18 in Reihe mit einem Referenzwiderstand in Form des Festwiderstands 30 gegen Masse (Bezugsanschluss 6) geschaltet, zwischen denen (am Temperaturanschluss 22) die Basis (B) eines weiteren baugleichen NPN-Transistors in Form des Transistors 38 angeschlossen ist, welcher über seinen Innenwiderstand RI (zwischen Emitter E und Kollektor C) direkt in die Ansteuerung eines LED-Treibertransistors (des Steuermoduls 54) eingreift. Um die Schutzschaltung 2 mit dem benötigten Minimalstrom zu versorgen, wird sie hochohmig über einen Widerstand in Form des Vorwiderstandes 14 an die variable (Schwankungen) Eingangsspannung in Form der Versorgungsspannung UV angeschlossen. Das Verhältnis zwischen dem NTC-Widerstand (Widerstand 28) und dem Referenzwiderstand (Festwiderstand 30) bestimmt den Arbeitspunkt der Temperaturabschaltung. Dies funktioniert wie folgt: Der NTC-Widerstand wird in seiner Nominalgröße deutlich größer gewählt als der Referenzwiderstand, hier etwa das Fünffache. Dadurch ist bei Raumtemperatur der Transistor 38 gesperrt (Innenwiderstand RI hochohmig) und die LED-Ansteuerung (da kein relevanter Strom durch Kollektor C und Emitter E des Transistors 38 fließt) unbeeinflusst. D. h. die Basis des Transistors im Steuermodul 54 kann auf ein beliebiges Potential gebracht werden, um die Leuchte 52 beliebig zu betreiben.
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Mit steigender Temperatur verringert sich der Widerstandswert des NTC (Widerstand 28), bis dieser den Wert der Referenz (Festwiderstand 30) erreicht. An diesem Gleichgewichtspunkt entspricht das Potential an der Basis B des Transistors 38 sehr genau dessen eigener Basis-Emitter-Spannung (UBE), da die Widerstände (28, 30) die Referenzspannung UR = 2·UBE halbieren und die Transistoren in Form der Festelemente 10a, b und des Transistors 38 baugleich und idealerweise auch thermisch gekoppelt sind. Der Transistor 38 beginnt zu leiten (sein Innenwiderstand RI sinkt) und senkt das Potential an seinem Kollektor C, was bei weiter steigender Temperatur T zur Abschaltung des LED-Treibers (Steuermodul 54) führt. Sinkt die Temperatur T wieder ab, sperrt der Transistor 38 immer mehr (der Innenwiderstand RI steigt) und der LED-Treiber (Steuermodul 54) kehrt zur normalen Funktion zurück. Die Genauigkeit dieser Schaltung beruht nur auf den Bauteiltoleranzen, eine Abhängigkeit von der Versorgungsspannung UV wurde hingegen fast völlig eliminiert.
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Das Steuermodul 54 dient zur regulären Ansteuerung der Leuchte 52. Solange der Transistor 38 hochohmig ist, kann dies ungehindert geschehen und die Leuchte 52 ein- oder ausgeschaltet oder gedimmt werden nach Belieben. Durch die Leitfähigkeit des Transistors 38, welche ansteigt, wird die wunschgemäße Ansteuerung der Leuchte 52 deaktiviert beziehungsweise übergangen und die Leuchte 52 zwangsweise gedimmt oder ausgeschaltet.
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Da der Innenwiderstand RI bei einer Temperatur T unterhalb der Grenztemperatur TG hochohmig ist, wird die Leuchte 52 maximal mit ihrer Nennleistung betrieben. Bei Überschreiten der Grenztemperatur TG wird die Leuchte 52 mit zunehmender Temperatur T und damit sinkendem Innenwiderstand RI zunehmend zwingend gedimmt.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Schutzschaltung
- 4
- Versorgungsanschluss
- 6
- Bezugsanschluss
- 8
- Referenzmodul
- 10a, b
- Festelemente
- 12
- Referenzanschluss
- 14
- Vorwiderstand
- 16
- Temperaturmodul
- 18
- Temperaturelement
- 20
- Eigenschaft
- 22
- Temperaturanschluss
- 24a, b
- Widerstandselement
- 26
- Mittenanschluss
- 28
- Widerstand
- 30
- Festwiderstand
- 32
- Umsetzmodul
- 34
- Ausgang
- 36
- Umsetzungsvorschrift
- 38
- Transistor
- 50
- Beleuchtungsanordnung
- 52
- Leuchte
- 54
- Steuermodul
- B
- Basis
- C
- Kollektor
- E
- Emitter
- G
- Grenzwert
- RI
- Innenwiderstand
- S
- Stellsignal
- T
- Temperatur
- TG
- Grenztemperatur
- UFa, b
- Festspannung
- UR
- Referenzspannung
- UT
- Stellspannung
- UV
- Versorgungsspannung
- W1, 2
- Wertegruppe
