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Die vorliegende Erfindung betrifft eine LED-Leuchte und insbesondere eine LED-Leuchte, deren Farbtemperatur einstellbar ist.
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Die Anpassung einer Farbtemperatur einer Leuchte ist für variable Beleuchtungssituationen im Innen- und Außenbereich häufig gewünscht. Im Stand der Technik ist dazu bekannt, mit einem zwei- oder mehrkanaligen elektronischen Vorschaltgerät zwei verschiedenfarbige Lichtquellen, die Licht unterschiedlicher Farbtemperatur abgeben, zu betreiben. Das Licht dieser Kanäle kann dann gemischt werden. Alternativ können auch einkanalige elektronische Vorschaltgeräte vorgesehen sein, dann ist jedoch für jede Lichtquelle, deren Licht mit andersfarbigen Lichtquellen gemischt werden soll, ein eigenes elektronisches Vorschaltgerät notwendig.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine LED-Leuchte bereitzustellen, die mit geringem Aufwand verschiedene Farbtemperaturen bereitstellen kann.
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Gelöst wird die Aufgabe durch eine Leuchte gemäß Anspruch 1.
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Eine Besonderheit der Leuchte der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die Leuchte mehrere Stränge von jeweils einer oder mehreren in Reihe geschalteten LEDs umfasst, wobei die Stränge Licht in verschiedenen Farbtemperaturen abgeben. Die logische und physikalische Farbtemperaturmischung wird von dem elektronischen Vorschaltgerät (EVG) erfindungsgemäß in das LED-Modul verlagert. Das LED-Modul übernimmt die Aufteilung des Stroms aus dem vorzugsweise stromgeregelten EVG auf die wenigstens zwei LED-Stränge. Durch die Kombination des Lichts der mehreren Stränge können gewünschte Farbtemperaturen variabel ausgewählt werden. Um das Licht der verschiedenen Stränge in beliebiger Weise kombinieren zu können, ist in jedem Strang ein Stromregler vorgesehen, welcher den Strom durch den betreffenden Strang regelt. Die Stromversorgung für alle Stränge wird durch ein gemeinsames einkanaliges elektronisches Vorschaltgerät bereitgestellt, welches das gesamte Leuchtenmodul, in dem sich alle Stränge befinden, versorgt. Durch die Stromregler kann das Verhältnis der Stromflüsse in den einzelnen Strängen eingestellt werden, um dadurch die gewünschte Farbtemperatur zu erzeugen. Von besonderem Vorteil ist dabei, dass die Stromregler in den Stromsträngen und das Steuergerät in dem LED-Modul vorgesehen sind, welches insgesamt nur an ein einkanaliges elektronisches Vorschaltgerät anzuschließen ist. Im Vergleich zu Lösungen aus dem Stand der Technik, in welchem verschiedene Teilbereiche von LED-Anordnungen zur Erzeugung einer gewünschten Farbtemperatur zusammengeschaltet werden, ist es nicht mehr notwendig, mehrkanalige elektronische Vorschaltgeräte für jeden Teilbereich der LED-Anordnung vorzusehen. Erfindungsgemäß genügt ein elektronisches Vorschaltgerät mit nur einem Kanal, weil die Aufteilung der Stromflüsse über die verschiedenen Stränge erst im LED-Modul durch die Stromregler in den einzelnen Strängen, gesteuert durch den Stromregler, geschaltet werden. Das elektronische Vorschaltgerät kann davon unbeeinflusst lediglich den Strom für das gesamte Modul bereitstellen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Leuchte zwei oder mehr Stränge auf und die eine oder die mehreren LEDs des ersten Strangs weisen eine Farbtemperatur von unter 3.300 K und die eine oder mehreren LEDs des zweiten Strangs weisen eine Farbtemperatur von über 5.300 K auf. Das heißt, der erste Strang gibt warmweißes Licht mit z.B. 2.200 K und der zweite Strang kaltweißes Licht mit z.B. 6.500 K ab. Durch die Mischung der beiden Farbtemperaturen lässt sich die für die konkrete Anwendung gewünschte Farbtemperatur zwischen den beiden Extrema einstellen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das LED-Modul einschließlich der in jedem Strang vorgesehenen Stromregler und der Steuereinrichtung in der Leuchte austauschbar montiert und das EVG ist außerhalb des LED-Moduls in der Leuchte verbaut. Da die Stromregler und die Steuereinrichtung in dem LED-Modul angeordnet sind, und die Stromversorgung für das gesamte LED-Modul nur durch das einkanalige EVG bereitgestellt wird, können die Komponenten separat in der Leuchte eingefügt werden. Bei Defekt einzelner Lichtquellen kann das LED-Modul ausgetauscht werden, ohne das Vorschaltgerät ersetzen zu müssen. Ferner ist es auch möglich, verschiedene LED-Module für einen gleichen Leuchtentyp vorzusehen, um die Variabilität des Leuchtentyps in Bezug auf Lichtfarben noch weiter zu erhöhen. Außerdem kann das elektronische Vorschaltgerät in der Leuchte ebenfalls im Fall eines Defekts unabhängig von dem LED-Modul ersetzt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, in jedem Schaltungszustand, in welcher die Leuchte nicht vollständig ausgeschaltet ist, wenigstens einen Stromregler vollständig niederohmig, d.h. < 3 Ohm, zu schalten. In dieser Ausführungsform ist stets ein Strang vollständig aufgesteuert, d.h. in diesem Strang ist der Strom durch die eine oder die mehreren LEDs nicht geregelt und am höchsten bzw. ggf. gleich hoch mit anderen Strängen, die ebenfalls voll aufgesteuert sind. Da der Stromregler niederohmig ist, ist der Wirkungsgrad der Leuchte maximal. Lediglich in dem ein oder mehreren Strängen, die nur weniger Licht zur Gesamtfarbtemperatur der Leuchte beisteuern sollen, entsteht durch den nicht vollständig geöffneten Stromregler ein Verlust.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform stellt das EVG einen Konstantstrom zur Stromversorgung des LED-Moduls bereit. Bei dieser Ausführungsform ist gewährleistet, dass der Stromfluss durch die LEDs eines oder mehrerer voll aufgesteuerter Stränge dem von dem EVG bereitstellten Konstantstrom entspricht. Lediglich diejenigen Stränge, welche nur einen geringeren Anteil des Lichts der einzustellenden Gesamtfarbtemperatur der Leuchte beitragen sollen, werden durch einen geringeren Strom im Verhältnis zu dem Strom durch den oder die voll aufgesteuerten Strängen versorgt. Im Unterschied zu einer Konstantspannungsquelle bleibt die Stromstärke in den voll aufgesteuerten Strängen erhalten unabhängig vom Innenwiderstand des gesamten LED-Moduls, der sich entsprechend dem Schaltungszustand der Stromregler jederzeit ändern kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Steuereinheit einen Microcontroller und einen, vorzugsweise nicht flüchtigen, Speicher, der dazu eingerichtet ist, mehrere Schaltungszustände der Stromregler zu speichern, die über den Microcontroller zum Einstellen der Stromregler abrufbar sind. Beispielsweise kann in dem Speicher eine Lookup-Tabelle gespeichert sein, welche die Steuerparameter für die Stromregler der einzelnen Stränge zum Erreichen verschiedener Farbtemperaturen beinhaltet. Die Steuereinheit kann die Steuerparameter aus dem Speicher auslesen, um die Stromregler entsprechend einzustellen. Bei einem nichtflüchtigen Speicher können ferner bereits bei der Herstellung der Leuchte vorgegebene Stromverhältnisse zur Erzielung definierter Farbtemperaturen gespeichert sein. Aus diesen vorgegebenen Schaltungszuständen kann jederzeit bei der Installation der Leuchte oder auch während deren Betrieb eine gewünschte Farbtemperatur ausgewählt werden, indem die entsprechenden Parameter aus dem Speicher von der Steuereinheit ausgelesen werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das LED-Modul zwei oder mehr der Stränge auf und die Steuereinheit ist dafür eingerichtet, in einem der zwei Stränge den Stromregler niederohmig, d.h. < 3 Ohm, zu schalten und in einem weiteren der Stränge den Stromregler stufenlos zwischen niederohmig und hochohmig, d.h. > 1 MOhm, zu regeln. In dieser Ausführungsform lässt sich die Farbtemperatur stufenlos regeln durch Verändern der Einstellung des Stromreglers zwischen dem niederohmigen und dem hochohmigen Zustand. Ferner entstehen keine Verluste in dem Strang, dessen Stromregler niederohmig geschaltet ist, und damit zum größten Anteil des abgegebenen Lichts der Leuchte beiträgt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Leuchte wenigstens eine Schnittstelle auf, die dafür eingerichtet ist, die Steuereinheit über eine Einrichtung außerhalb der Leuchte anzusteuern. Diese Ausführungsform ermöglicht es, die Leuchte auch nach der Installation vor Ort zur Erzeugung verschiedener gewünschter Farbtemperaturen noch einzurichten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schnittstelle eine drahtlose Schnittstelle, die eingerichtet ist, um die Leuchte individuell anzusteuern. Beispielsweise kann mit einer Fernbedienung, z.B. über Nahfeldkommunikation, Bluetooth oder WLAN, die Leuchte vor Ort eingestellt werden. Der Installationsaufwand ist minimiert, weil keine separate Verkabelung für eine Änderung der Einstellung erforderlich ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schnittstelle drahtgebunden und an einem Bussystem anschließbar, welches zum Steuern mehrerer gleichartiger Leuchten eingerichtet ist. Beispielsweise kann eine ganze Reihe von baugleichen Leuchten, z.B. für eine Straßenbeleuchtung oder für die Beleuchtung eines Raums in einem Gebäude, vorgesehen sein, wobei jede Leuchte individuell entsprechend ihrem Standort eine bevorzugte Farbtemperatur erzeugen kann. Die Leuchten selbst können aber alle von der gleichen Bauart sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit dafür eingerichtet, mittels des Stromreglers in wenigstens einem der Stränge den Strom durch den Strang zur Kompensation eines über eine Alterung der LEDs in dem Strang entstandenen Lichtstromverlust durch Erhöhen der durch des betreffenden Strang fließenden Stroms zu kompensieren. Im Stand der Technik ist es bereits bekannt, dass LEDs im Laufe ihrer Betriebszeit einen schwächeren Lichtstrom bei gegebener Stromstärke oder ein sich veränderndes Farbspektrum abgeben. Ferner ist es auch bekannt, den Verlust des Lichtstroms dadurch zu kompensieren, dass der Strom durch die betreffende LED erhöht wird. In der Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung kann dieses Ziel einfach durch die ohnehin vorhandene Stromregelung mit den einzelnen Strängen im LED-Modul erzielt werden. Es sind keine separaten Steuerungen erforderlich, weil der Strom durch eine oder alle Stränge des LED-Moduls mittels der ohnehin vorhandenen Stromregler möglich ist. Lediglich die Steuereinrichtung muss entsprechend programmiert sein, um den Lichtstrom der LEDs entsprechend den Alterungsbedingungen anzupassen. Bei einer Farbveränderung der LEDs kann die Kompensation dadurch erfolgen, dass Stromverteilung über die verschiedenen Stränge verändert wird. Wenn die Lichtfarbe beispielsweise sich im Laufe des Alters zu einer höheren Temperatur entwickelt, kann ein Anteil von kälterem Licht durch Erhöhen des Stroms durch den betreffenden Strang mit LEDs, die eine höhere Farbtemperatur aufweisen, zum Ausgleichen der altersbedingten Farbveränderung hinzugegeben werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung deutlich, die in Verbindung mit den Figuren gegeben wird. In den Figuren ist Folgendes dargestellt:
- 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines LED-Moduls einer erfindungsgemäßen Leuchte.
- 2 zeigt ein Diagramm, welches das Mischungsverhältnis der Lichtfarbe gegenüber der Stellung der Stromregler in einem LED-Modul gemäß 1 darstellt.
- 3 zeigt schematisch in einem Blockdiagramm eine Ausführungsform einer Leuchte gemäß der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist lediglich ein LED-Modul dargestellt, welches zusammen mit einem elektronischen Vorschaltgerät (EVG) in einer Leuchte betrieben wird. Das elektronische Vorschaltgerät ist ein einkanaliges Vorschaltgerät, d.h. es wird lediglich eine, vorzugsweise konstant geregelte, Stromstärke für ein anzuschließendes Modul bereitgestellt.
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Das LED-Modul selbst besitzt mehrere Kanäle, die im Folgenden auch als Stränge bezeichnet werden. In der Ausführungsform gemäß 1 sind ein Strang WW und ein Strang KW vorgesehen. In anderen Ausführungsformen können noch mehr Stränge vorgesehen sein.
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Die beiden Stränge weisen jeweils wenigstens eine LED auf, wobei ein Strang eine sehr niedrige Farbtemperatur, z.B. 2.200 K oder niedriger entsprechen der Farbe warmweiß, und der zweite Strang eine sehr hohe Farbtemperatur, z.B. 6.500 K oder höher entsprechend der Farbe kaltweiß aufweist.
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Diese beiden Farbtemperaturen stelle die Extrema der physikalisch einstellbaren Farbtemperaturen der Leuchte dar. Um Farbtemperaturen zwischen den beiden Extrema zu erreichen, wird der vom EVG gelieferte elektrische Strom in einem charakteristischen Verhältnis zwischen den beiden Strängen aufgeteilt. Hierzu dient die Schaltung in dem LED-Modul, wie in 1 dargestellt.
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Das LED-Modul umfasst in jedem Strang aus einer oder mehreren LEDs, die jeweils in einer Reihe geschaltet sind, einen Stromregler, welcher den Stromfluss durch den betreffenden Strang regelt. Die Stromregler in allen Strängen werden von einer gemeinsamen Steuereinheit gesteuert, die in dem LED-Modul vorgesehen ist und auch durch den Versorgungsstrom des LED-Moduls, welcher von den EVG bereitgestellt wird, betrieben wird.
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Durch Vorsehen mehrerer LED-Stränge auf dem LED-Modul, welche individuell von 0-100% des Stroms regelbar sind und jeweils eine unterschiedliche Farbtemperatur aufweisen, lässt sich eine gewünschte Mischfarbe der Leuchte erzeugen. Somit kann durch gezielt unterschiedliches Bestromen der einzelnen Stränge die Farbtemperatur einer Leuchte quasi elektrisch verändert werden. Das LED-Modul übernimmt dabei die Aufteilung des Stromes aus dem stromgeregelten EVG auf die wenigstens zwei, elektrisch betrachtet symmetrisch aufgebauten, LED-Stränge mittels linearer Stromregler in jedem Strang.
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Ein Beispiel für verschiedene Einstellungen der Stromregler zur Mischung der Farben kaltweiß und warmweiß eines LED-Moduls gemäß 1 ist in 2 dargestellt. Die Stellung des Stromreglers in jedem Strang kann zwischen 0 (= ganz zu) und 100 (= voll offen) geregelt werden. Die in der 2 dargestellten Reglerstellungen sind nur beispielhaft. Es sind auch andere Stellungen denkbar, wichtig ist lediglich, dass die Summe der Ströme der beiden Regler einen höheren Wert ergibt als der Gesamtstrom, mit dem das LED-Modul bestromt wird, um zu verhindern, dass die beiden Stromregler auf dem LED-Modul gegen das auf einen Konstantstrom geregelte EVG, an welchem das LED-Modul angeschlossen ist, arbeiten.
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Das LED-Modul wird in einer Leuchte (1) eingesetzt, die in einer Ausbaustufe gemäß 3 folgende Komponenten umfasst:
- 1. Beliebiges EVG(2) mit nur einer Endstufe (einkanaliges EVG)
- 2. LED-Modul(4) mit einem Microcontroller (pC) (5), welcher als Steuereinheit dient, und wenigstens zwei LED-Strängen, die so angeordnet sind, dass eine Mischung von Farbtemperaturen möglich ist. Der µC im LED-Modul beinhaltet einen nichtflüchtigen Speicher, welcher bei der Produktion des LED-Moduls mit einem vollständigen Datensatz zur Beschreibung der bestückten LED-Stränge beschrieben wurde:
- a. I(PHI, T) zur Helligkeitsberechnung jedes LED-Strangs im zulässigen Temperaturbereich,
- b. CCT(T) für alle bestückten LED-Typen zur Lichtfarbenberechnung im zulässigen Temperaturbereich,
- c. deltaPHI(T,I) zur Berechnung des Lichtstromverlusts im Laufe der Leuchtenlebensdauer zur Alterungskompensation,
- d. deltaCCT(T,I) zur Berechnung der alterungsbedingten Lichtfarbenverschiebung zur Alterungskompensation,
- e. Verschaltung der LED,
- f. IWW: Icw(CCT(T)) zur Ermittlung des el. Stromverhältnisses zwischen den LED-Strängen unter Berücksichtigung der thermischen Farbdrift der LED, und
- g. mehrere Stromregler (Stromverteilerschaltung) auf dem LED-Modul, welche vom pC(5) angesteuert werden können.
- 3. Eine Verbindungsleitung(6) vom EVG zum LED-Modul zum Versorgen der LED-Stränge auf dem LED-Modul(4)
- 4. Einer Netz-/Versorgungsleitung (8) zur Energieversorgung der Leuchte (1)
- 5. Eine optionale externe Steuerschnittstelle (15) für Leuchten mit einem Bus-System z.B.: KNX, DALI, DMX
- 6. Eine Steuerschnittstelle(12) vom EVG zum LED-Modul zum Anfordern einer anderen Farbtemperatur/Lichtverteilung z.B. RS232, CAN, ,... (ggf. über einen Bus mit Pegelanpassung) .
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Weiterhin ist es möglich, den vom EVG gelieferten Strom zu messen oder auch die Datenverbindung zwischen EVG und LED-Modul zu verwenden, um die Abstimmung zwischen den Geräten zu verbessern (z.B. Abstimmung der Höhe des el. LED-Stroms)
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Exemplarisch wird hier eine Leuchte mit zwei Strängen zur dynamischen Änderung der Farbtemperatur beschrieben, es können aber auch mehrere Stränge zur Änderung der Farbtemperatur verwendet werden.
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Vorzugsweise ist stets (mindestens) ein Strang voll aufgesteuert, d.h. für diesen Strang wird der Strom nicht geregelt und er ist (mit) am höchsten bestromt. Wenn im Rahmen einer Farbveränderung dieser Strang geregelt werden soll, muss ein anderer Strang dessen Einstellung (voll aufgesteuert) übernehmen. Die verhältnismäßige Aufteilung des Stroms erfolgt lediglich durch Begrenzung des Stroms in dem/den niedriger bestromten Strang/Strängen.
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Trotz der prinzipbedingt verlustbehafteten Linearregler bleiben die schaltungsbedingten Verluste dabei sehr gering, da:
- - die Stromregler nur in den niedriger bestromten Kanälen aktiv sind,
- - die Stromregler daher immer weniger als 50% des Gesamtstroms im LED-Modul begrenzen müssen, und
- - lediglich die Differenz der Vorwärtsspannungen der LED-Stränge in Wärme umgewandelt wird. Diese Differenz ist aufgrund der flachen Diodenkennlinie gering.
- - Im Falle einer gleichmäßigen Stromaufteilung über alle Stränge (also bei zwei Strängen z.B. 50%:50%) alle Stromregler inaktiv/voll aufgesteuert sind und die Verluste daher nahezu Null sind.
- - Im Falle der Stromaufteilung in eines der beiden Extrema (also bei z.B. zwei Stränge 100%:0%) die Verluste ebenfalls gegen Null gehen, da der Strom und daher die Verluste in jeweils einem Strang nahezu Null sind und im zweiten Strang der Regler inaktiv/voll aufgesteuert und daher ebenfalls nahezu verlustfrei ist.
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Die Übergänge zwischen den Extrema der Farbtemperaturen sind durch die individuelle Dimmbarkeit von jedem der Stränge stufenlos, fließend und flackerfrei. Entsprechende Ansteuerung der Stromregler ist natürlich vorausgesetzt.
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Die Ermittlung, in welchem Verhältnis der LED-Strom aufgeteilt wird und die entsprechende Ansteuerung der Schaltung, erfolgt im µC des LED-Moduls auf Basis des Speicherinhalts des nichtflüchtigen Speichers.
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In einer Minimalkonfiguration ist anstelle der Sollwertvorgabe durch Steuerschnittstelle und Mikrocontroller auch eine rein analoge Lösung z.B. Poti, Schaltermatrix, etc... realisierbar.
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Durch die Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich folgende Vorteile:
- - Es wird nur ein normales, einkanaliges (Standard-) EVG benötigt, kein teures Mehrkanal-EVG;
- - Verringerter Platzbedarf (unabhängig von der Anzahl der Stränge);
- - Verringerter Verdrahtungsaufwand, unabhängig von Anzahl der Stränge;
- - Sehr einfache Nachrüstmöglichkeit (lediglich das LED-Modul muss getauscht werden);
- - Geringer Schaltungsaufwand/Platzbedarf auf dem LED-Modul
- - Das System kann mit geringstmöglichem Aufwand um eine beliebige Anzahl von Strängen erweitert werden (z.B. mit Strängen, die eine bestimmte Spektralfarbtemperatur abgeben, z.B. Rot, Grün, Blau und als Mischfarbe Weiß), wobei nur ein EVG für alle Leuchtenausführungen erforderlich ist;
- - Unveränderter EVG-Wirkungsgrad im Vergleich zu einkanaliger Leuchte, da dessen einer Kanal immer voll ausgelastet ist;
- - Keine störenden Nebeneffekte durch PWM-Ansteuerung, und
- - Keine Parametrierung des LED Treibers notwendig, da im LED-Modul alle seine Eigenschaften und Möglichkeiten gespeichert sind.
