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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Scheinwerfer zur stationären Montage in einem Innen- oder Außenraum, insbesondere auf Stadionscheinwerfer, und insbesondere auf Scheinwerfer mit LEDs (worunter jede Form von Halbleiterlichtquellen verstanden werden, einschließlich organischer LEDs), die in einem Cluster in dem Scheinwerfer angeordnet sind.
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In Scheinwerfern der eingangs genannten Art hat sich zur Steuerung der Lichtlenkung eine präzise Anordnung von Linsenelementen und Reflektorelementen durchgesetzt. Die zu erzeugende Lichtverteilungskurve, LVK, welche in einer Kegelschnittkurve in der Regel rotationssymmetrisch sein soll, haben einen gegebenen Halbstreuwinkel und eine maximale Lichtstärke, welche vorzugsweise entlang der optischen Achse des Scheinwerfers liegt. Je nach Beleuchtungsaufgabe, z.B. zur Beleuchtung eines Fußballplatzes, müssen gewissen Beleuchtungsstärken erreicht werden. Dies ist nur durch die Überlagerung verschiedener LVK, mit unterschiedlichen Halbstreuwinkel und maximalen Lichtstärken zu realisieren, da die Position der Scheinwerfer im Stadion unterschiedlich sind und der Abstand zwischen den Scheinwerfern und der zu beleuchtenden Fläche unterschiedlich ist. Dadurch werden unterschiedliche LVKs und somit unterschiedliche optische Komponenten oder beweglich optische System im Scheinwerfer benötigt. Dies ist verhältnismäßig aufwendig, da die optischen Komponenten entweder für die einzelnen LEDs oder die LED-Cluster angepasst werden müssen oder ein aufwendiger Verstellmechanismus innerhalb des Scheinwerfers für die optischen Komponenten eingefügt werden muss.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen stationären Scheinwerfer bereitzustellen, dessen Lichtverteilung mit LEDs auf möglichst einfache Weise auf die örtlichen Bedingungen zur Erfüllung der Beleuchtungsaufgabe angepasst werden kann.
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Gelöst wird die Aufgabe durch einen Scheinwerfer nach Anspruch 1.
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Eine Besonderheit des erfindungsgemäßen Scheinwerfer besteht darin, dass die LEDs innerhalb eines Clusters unabhängig von wenigstens einigen der übrigen LEDs innerhalb des Clusters zu- und abschaltbar und/oder dimmbar sind. Dadurch wird erreicht, dass durch ein Cluster, ggf. mit zugeordneter optischer Komponente des Clusters, unterschiedliche LVKs erzielt werden können. Sowohl symmetrische als auch asymmetrische LVKs können durch Zu- und Abschalten von LEDs innerhalb des Clusters erzielt werden abhängig von der Ausgestaltung des Clusters und der unterschiedlichen Muster, in denen die LEDs innerhalb des Clusters zu- und abgeschaltet werden. Durch unabhängiges Dimmen der LEDs innerhalb des Clusters können die LVKs sogar kontinuierlich ineinander umgeformt werden. In einem Cluster können LEDs, welche für die gewünschte Lichtverteilung des Scheinwerfers nicht gebraucht werden, auch einfach nicht auf der LED-Platine bestückt werden. Eine kontinuierliche Umformung der LVKs ist dann nur eingeschränkt durch die verbleibenden LEDs im Cluster möglich.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Cluster eine gemeinsame Optik für alle LEDs in dem Cluster auf. Beispielsweise kann ein Reflektor und/oder eine Linse, insbesondere eine Linse mit interner Totalreflexion, für alle LEDs in dem Cluster vorgesehen sein. Die optische Komponente muss zur Einstellung der LVK jedoch nicht geändert werden. Sie ist fest zu den LEDs im Cluster angeordnet und die Lichtverteilung wird durch das Zu- und Abschalten bzw. Dimmen der LEDs innerhalb des Clusters vorgenommen. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber den Systemen im Stand der Technik, bei welchen in aufwendiger Weise eine Linse oder ein Reflektor gegenüber den Leuchtmitteln verschoben werden muss oder für den Scheinwerfer individuell gefertigt werden muss, um die besondere Beleuchtungsaufgabe gemäß den örtlichen Bedingungen des Scheinwerfers erfüllen zu können.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Cluster durch eine quadratische Matrix von LEDs gebildet. Beispielsweise kann ein LED-Cluster eine 3x3, 4x4 oder 5x5-Matrix von LEDs umfassen. Je größer das Cluster, desto mehr Variationen für die Schaltung der LEDs innerhalb des Clusters sind möglich. Je größer das Grund-Cluster ist, desto mehr verschiedene Bestückungsvarianten von LEDs sind möglich.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Cluster auch durch zwei senkrecht zueinander verlaufenden LED-Reihen oder senkrecht zueinander verlaufende rechteckige LED-Matrizen gebildet sein.
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Bevorzugt sind Ausführungsformen, in welcher das LED-Cluster eine Anordnung von LEDs aufweist, die symmetrisch zu zwei Spiegelebenen ist, wobei die Spiegelebenen die Mittelsenkrechte durch das Cluster als gemeinsame Schnittgerade aufweisen und senkrecht zueinander liegen. Diese Symmetrie des LED-Clusters ist geeignet, um kreisrunde Lichtverteilungen sowie durch gezieltes Zu- und Abschalten von LEDs oder Dimmen von LEDs auch Lichtverteilungen zu erzeugen, die sich in unterschiedliche Richtungen entlang der Hauptachsen der spiegelsymmetrisch angeordneten LEDs erstrecken. Durch asymmetrisches Schalten der LEDs innerhalb der symmetrischen Anordnung lassen sich mit dieser Anordnung auch asymmetrische LVKs erzielen. Generell bietet diese Art von LED-Cluster eine hohe Variation in Bezug auf zu erzielende Lichtverteilungen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Scheinwerfer auch mehrere der vorhergehend genannten Cluster aufweisen, die im Scheinwerfer beabstandet zueinander, und insbesondere in einem regelmäßigen Array, angeordnet sind. Durch Vorsehen mehrerer Cluster wird insgesamt die Lichtstärke des Scheinwerfers erhöht, da sich das Licht der einzelnen Cluster überlagert. Die Cluster können alle identisch ausgeführt sein und identisch zueinander angeordnet sein. In dieser Ausführung können auch die LEDs innerhalb der Cluster jeweils identisch angesteuert werden. Dadurch ergibt sich der gleiche Vorteil, wie bei den vorhergehend genannten Ausführungsformen in Bezug auf die Variation der Lichtverteilung, wobei insgesamt die Lichtstärke erhöht ist. Allerdings bietet diese Ausführungsform auch noch den Vorteil, dass die unterschiedlichen Cluster verschieden angesteuert werden können. Es können ganze Cluster hinzugeschaltet oder abgeschaltet werden. Ferner können die LEDs innerhalb der Cluster unterschiedlich an- und ausgeschaltet bzw. gedimmt werden. Dadurch ist eine sehr hohe Variation bei den zu erzielenden LVKs möglich.
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Die mehreren Cluster in den zuletzt genannten Ausführungsformen weisen vorzugsweise jeweils einzeln eine zugeordnete Optik, z. B. einen Reflektor oder eine Linse, vorzugsweise eine Linse mit interner Totalreflektion, auf.
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Gemäß einer Weiterbildung der zuletzt genannten Ausführungsformen mit mehreren Clustern können die Cluster ferner auch unterschiedlich zueinander gedreht in dem Scheinwerfer angeordnet sein. Dadurch überlagern sich die LVKs der einzelnen Cluster zu einer Gesamtlichtverteilung, die sich von der Lichtverteilung der einzelnen Cluster unterscheidet. Z.B. lassen sich dadurch Asymmetrien in der Gesamtlichtverteilung ausgleichen, welche die jeweils einzelnen Cluster aufgrund der Formgebung des Clusters, hervorbringen würden.
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Weitere Merkmale und Vorteil der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen deutlich, die im Zusammenhang mit den beigefügten Figuren gegeben wird. In den Figuren ist Folgendes dargestellt:
- 1 zeigt eine 3x3-LED-Cluster.
- 2 zeigt ein 3x3-Array mit jeweils einem 3x3-LED-Cluster.
- 3a - 3c zeigen die LVK und den Lichtstrom eines 3x3-LED-Cluster, wobei eine, fünf bzw. neun LEDs eingeschaltet sind.
- 4 zeigt ein 4x4-LED-Cluster.
- 5 zeigt ein 5x5-LED-Cluster.
- 6 und 7 zeigen das 5x5-LED-Cluster, wobei LEDs in unterschiedlichen Musters eingeschaltet sind.
- 8a und 8b zeigen eine Schnittansicht eines 3x3-LED-Clusters mit Totalreflexionslinse, wobei nur eine bzw. alle LEDs eingeschaltet sind.
- 9 zeigt ein näherungsweise rundes LED-Cluster mit 37 LEDs.
- 10 zeigt ein Array mit zwei unterschiedlichen LED-Cluster.
- 11 zeigt ein Array mit zwei gleichen LED-Cluster.
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Bezugnehmend auf 1 ist ein einzelnes LED-Cluster 2 dargestellt. Es umfasst neun LEDs 1, die in einer 3x3-Matrix angeordnet sind.
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Zur Bildung eines Scheinwerfers ist in der einfachsten Form lediglich ein LED-Cluster notwendig. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, die in 2 dargestellt ist, sind in dem Scheinwerfer jedoch mehrere der LED-Cluster 2 vorgesehen, um ein Array aus mehreren Clustern zu bilden. Die Cluster 2 sind in dem Array jeweils mit einem Abstand a angeordnet. Der Abstand a zwischen den Clustern zum jeweils nächsten Nachbarn (gemessen von Mittelpunkt zu Mittelpunkt) ist größer als der Abstand der LEDs 1 innerhalb des Clusters.
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In den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung lassen sich die LEDs innerhalb der Cluster einzeln ein- und ausschalten oder dimmen. Den Einfluss dieser Schaltung auf die Lichtstärkeverteilungskurve (angegeben in der Lichtstärke normiert auf den Gesamtlichtstrom), die Lichtstärke (absolut), den Halbstreuwinkel sowie den Lichtstrom bei den verschiedenen Schaltungszuständen ist in den 3a bis 3c dargestellt.
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3a zeigt das 3x3-LED-Cluster, bei dem nur die mittlere LED 4 eingeschaltet ist und die übrigen LEDs 5 ausgeschaltet sind oder auf der Platine nicht bestückt sind. 3b zeigt demgegenüber den Fall, dass lediglich die vier äußeren LEDs 5 ausgeschaltet bzw. auf der Platine nicht vorhanden sind und die übrigen LEDs 4 eingeschaltet sind. 3c zeigt den Fall, dass alle neun LEDs 5 des 3x3-LED-Clusters eingeschaltet sind. Da die optischen Komponenten der Cluster immer die gleichen sind, ergeben sich durch die unterschiedlich eingeschalteten LEDs verschiedene LVKs bzw. Lichtströme und Effizienzen. In 3a ist die größte Lichtstärke (Imax1) bezogen auf den Gesamtlichtfluss der Leuchte am höchsten. Der Halbstreuwinkel (Halbstreuwinkel 1) ist am geringsten und gleichzeitig liegt der Lichtstrom bei Imax1 auf dem geringsten Wert. Wenn mehr LEDs 4 hinzugeschaltet sind, wie in 3b gezeigt, vergrößert sich der Halbstreuwinkel, Imax2 sinkt ab und der Lichtstrom steigt an. Wenn alle LEDs 4 in Betrieb sind, wie in 3c dargestellt, sinkt der maximale Lichtstrom bezogen auf den Gesamtlichtstrom auf den geringsten Wert Imax3, während der Halbstreuwinkel den größten Wert annimmt. Der Lichtstrom in Imax3 ist am höchsten.
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Die 4 und 5 zeigen Alternativen für die LED-Cluster. In 4 ist ein LED-Cluster 6 mit einer 4x4-Matrix von LEDs dargestellt. 5 zeigt ein LED-Cluster 7 in Form einer 5x5-Matrix. Die größeren Cluster erlauben eine höhere Variation von Mustern, in welchen die LEDs zu- und abgeschaltet bzw. gedimmt werden können. Insbesondere lassen sich auch symmetrischen oder ovale Lichtverteilungskurven erzeugen, mittels Schaltungszuständen der LEDs, wie in 6 und 7 dargestellt sind. In 6 wird eine asymmetrische LVK erzeugt dadurch, dass in der 5x5-Matrix des LED-Clusters 7 lediglich 3x3-LEDs 4 in einer Ecke betrieben werden, während die anderen LEDs 5 ausgeschaltet sind. In der 7 werden LEDs 4 eingeschaltet, welche symmetrisch um eine Mittelachse des LED-Cluster 7 der 5x5-Matrix angeschaltet sind. In diesem Schaltungszustand kann eine ovale LVK erzeugt werden. Die Angaben asymmetrische bzw. ovale LVK beziehen sich dabei jeweils auf eine LVK gemessen in einem Kegelmantelschnitt senkrecht zu der optischen Achse des Scheinwerfers, welche entlang der Mittelsenkrechten des Clusters verläuft.
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In der Ausführungsform nach 8a und 8b ist eine Linse 3 oberhalb eines 3x3-LED-Clusters 2 vorgesehen. Die Linse 3 umfasst einen Lichteintrittsbereich sowie einen Lichtaustrittsbereich, an welchen Lichtstrahlung gebrochen wird. Ferner besitzt die Linse 3 auch Seitenwandbereiche, an denen Lichtstrahlen totalreflektiert werden. Durch das Hinzuschalten oder Abschalten von einzelnen LEDs 4, 5 in dem LED-Cluster werden unterschiedliche Strahlengänge in der Linse aktiviert. In 8a ist nur die mittlere LED 4 eingeschaltet während alle übrigen LED 5 ausgeschaltet sind. Dadurch, dass nur eine mittlere LED 5 eingeschaltet ist, verlassen die Lichtstrahlen L11, L12 und L13 nahezu parallel die Linse 3 und erzeugen somit ein hohes Imax bzw. einen kleinen Halbstreuwinkel. Demgegenüber sind in 8b alle neun Linsen 5 des 3x3-LED-Clusters eingeschaltet. Dadurch, dass die lichtemittierende Fläche größer ist, kommen noch Lichtstrahlen L21 und L22 von den äußeren LEDs hinzu, die nicht mehr parallel die Linse 3 verlassen. Dadurch wird ein geringeres Imax bezogen auf den Gesamtlichtstrom bzw. ein größerer Halbstreuwinkel und gleichzeitig ein erhöhter Lichtstrom erzeugt.
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In der Ausführungsform gemäß 9 ist ein LED-Cluster 8 dargestellt, bei welchem die LEDs einen Kreis approximieren. Ganz allgemein sind Ausführungsformen mit LED-Clustern, in welchen die LEDs spiegelsymmetrisch zu zwei auf einander senkrecht stehenden vertikalen Spiegelebenen ausgerichtet sind, bevorzugt, weil sie eine Kreisform approximieren können und daher für die gängigen optischen Einrichtungen besonders geeignet sind.
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Die hohe Anzahl von LEDs 1 - in 9 insgesamt 37 Stück - sind bevorzugt, um eine große Variation von möglichen LVKs zu erzeugen.
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In 10 ist eine Ausführungsform dargestellt, in welcher ein Cluster 11 mit 5 LEDs, die kreuzförmig angeordnet sind, mit lediglich einer einzelnen LED 12 in einem Array kombiniert sind.
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11 zeigt eine Anordnung mit gedimmten LEDs in zwei Clustern 10. Es sind jeweils die äußeren vier LEDs in einem 3x3-Cluster um etwa 50% gedimmt. Dadurch ergibt sich ein Imax, das sich zwischen eine Anordnung mit neun eingeschalteten LEDs und einer Anordnung mit fünf eingeschalteten LEDs befindet. Ein stufenloses Einstellen von Imax bzw. des Halbwertswinkels ist dadurch möglich.
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Zahlreiche Variationen der vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen sind im Rahmen der Erfindung möglich, welche durch die Ansprüche definiert ist. Beispielsweise können verschiedene Kombinationen von nxn-Clustern verwendet werden. Ferner sind auch asymmetrische Cluster möglich. Bevorzugte Ausführungsformen können auch einzelne LEDs innerhalb eines Clusters, die für die gewünschten Lichtverteilungen nicht erforderlich sind, komplett entfallen. In diesem Fall ist an der betreffenden Stelle des Clusters einfach eine Leerstelle vorgesehen. Die übrigen LEDs in dem Cluster sind jedoch regelbar, wie vorhergehend beschrieben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- LED
- 2
- 3x3-LED-Cluster
- 3
- Linse
- 4
- LED, eingeschaltet
- 5
- LED, ausgeschaltet
- 6
- 4x4-LED-Cluster
- 7
- 5x5-LED-Cluster
- 8
- LED-Cluster mit 37 LEDs
- 11
- kreuzförmiges LED-Cluster
- 12
- einzelne LED
- a
- Abstand der LED-Cluster im Array
