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Die Erfindung bezieht sich auf eine Beleuchtungsanordnung mit
einem LED-Modul und einem Netzteil, insbesondere in Form
eines Signalgebers einer Signal- oder Ampelanlage.
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Aktuell werden in zunehmendem Maße Ampelsignalgeber mit LED-
Lichtquellen ausgestattet. Eine LED-Lichtquelle unterscheidet
sich von einer herkömmlichen Lichtquelle im Wesentlichen in
folgenden Punkten:
- a) Die Effizienz der LEDs nimmt mit zunehmender Temperatur ab
im Gegensatz zu herkömmlichen Lichtquellen wie Glühlampen,
deren Effizienz sogar noch zunimmt. Das bedeutet, daß bei
LED-Lichtquellen immer ein gewisser Puffer eingebaut werden
muß, um die Helligkeitsvorgaben über den vorgegebenen
Temperaturbereich erfüllen zu können.
- b) Die Effizienz der LEDs nimmt während der LED-Lebensdauer
insbesondere aufgrund von Alterung ab. Diese Effizienzabnahme
muß durch eine Überdimensionierung, d. h. durch Vorhalten
einer Reservelichtleistung zu Lebensbeginn abgefangen werden.
- c) Eine LED-Lichtquelle besteht aus einer Vielzahl von
einzelnen Lichtpunkten. Die Anzahl der Lichtpunkte ist durch die
erforderliche optische Leistung nach unten begrenzt. Durch
die Vielzahl an Lichtpunkten ergeben sich völlig neue
Ausfallbilder: Gegenüber herkömmlichen Lichtquellen kann bei
einer LED-Lichtquelle beispielsweise die Hälfte der LEDs
ausgefallen sein, und der Rest leuchtet noch immer, während bei
der herkömmlichen Lichtquelle der Ausfall der Glühlampe einen
völligen Signalausfall bedeutet. Andererseits kann der
Ausfall einer Glühlampe sicher erkannt werden, da dann kein
Strom mehr durch die Glühlampe fließt. Bei LED-Lichtquellen
hingegen besteht nur mit gewisser, wenn auch großer
Wahrscheinlichkeit ein direkter Zusammenhang zwischen Stromfluss
und Lichtabgabe.
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Aufgrund dieser unterschiedlichen Fehlermechanismen ist es
wünschenswert, daß bei LED-Lichtquellen Fehler
unterschiedlichen Grades bzw. verschiedener Schwere, gemeldet werden
sollen, z. B. 20% Lichtabnahme, 40% Lichtabnahme, etc. Dies
erfordert entsprechend aufwendigere Schnittstellen zwischen
allen eingesetzten Komponenten der Ampelanlage.
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Obige Punkte verdeutlichen, daß eine LED-Lichtquelle zu
Beginn des Einsatzes eine sehr hohe Lichtstärke aufweisen muß,
um auch am Lebensende noch die geforderten Mindestwerte
einzuhalten. Diese hohe Helligkeit kann aber häufig nur auf
Kosten der Lebensdauer erreicht werden. Außerdem erscheinen die
Signalgeber dem Verkehrsteilnehmer zu Beginn des Einsatzes
eventuell als unangenehm hell. Darüber hinaus müssen zur
Fehlerrückmeldung unter Umständen aufwendige und teuere
Schnittstellen eingebaut werden.
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Vorzugsweise sollte ein LED-Signalgeber, beispielsweise eine
Ampel- oder Signalanlage, folgende Eigenschaften aufweisen:
- - Die geforderten Mindesthelligkeiten und
Leuchtdichteverteilungen, z. B. gemäß EN 12368, werden über die gesamte
Einsatzdauer erfüllt.
- - Die geforderten Mindesthelligkeiten, z. B. gemäß EN 12368,
werden nur gering, bevorzugt um etwa 20%, überschritten,
damit die LED-Signalgeber nicht zu hell wirken.
- - Die Lebensdauer des LED-Signalgeber ist größer als bei
herkömmlichen LED-Signalgebern.
- - Der LED-Signalgeber weist eine Dimmvorrichtung auf, die zum
Beispiel die Lichtstärke um die Hälfte reduziert. Dies wird
von einigen Ländern/Kommunen gefordert.
- - Der LED-Signalgeber schaltet ab, sobald die
Mindestanforderungen, beispielsweise bezüglich Helligkeit,
Lichtstärkeverteilung, oder Leuchtdichte, unterschritten werden.
- - Der LED-Signalgeber besitzt einen einfachen Aufbau,
insbesondere ohne komplexe Schnittstellen. Vorzugsweise ist der
LED-Signalgeber mit herkömmlichen Steuerschaltungen
kompatibel.
- - Der LED-Signalgeber hat einen niedrigen Energieverbrauch.
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LED-Signalgeber nach dem Stand der Technik weisen zu Beginn
des Einsatzes eine sehr hohe Lichtstärke auf, um innerhalb
der Betriebsdauer nicht aufgrund von Alterung und thermischen
Einflüssen unter die Mindestanforderungen abzufallen. Diese
hohe Anfangslichtstärke wird dadurch erreicht, daß entweder
sehr viele LEDs eingesetzt werden, oder daß die LEDs mit sehr
hohen Strömen betrieben werden, Ersteres ist mit erhöhten
Kosten, Letztes mit negativen Auswirkungen auf die
Einsatzdauer verbunden.
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In beiden Fällen werden die hohen Anfangslichtstärken von
sehr vielen Verkehrsteilnehmern teilweise als unangenehm
empfunden.
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Für die Sicherstellung der Funktion der derzeit eingesetzten
LED-Signalgeber gibt es unterschiedliche Ansätze:
- - Es wird davon ausgegangen, daß aufgrund der Vielzahl der
LEDs ein Ausfall einzelner Lichtpunkte nicht oder nur
geringfügig zur Unterschreitung der Anforderungen führt.
Teilweise werden bewußt Anforderungsverletzungen in Kauf
genommen, wenn die möglichen Fehler keinen schwerwiegenden
Schaden zu verursachen scheinen.
- - Es wird der Stromfluss durch die einzelnen LED-Ketten
überwacht. Beim Ausfall einer oder mehrerer Ketten erfolgt
eine Abschaltung des Signals, beispielsweise dadurch, daß
eine Schmelzsicherung durchgebrannt wird. Diese Ausführung
gibt es in unterschiedlich strenger Auslegung. Diese reichen
von einfachen Transistorüberwachungen bis hin zu
Überwachungsvorrichtungen mit aufwendigen und komplizierten
elektronischen Schaltungen.
- - Es wird die Lichtabgabe des LED-Signalgebers kontrolliert,
zum Beispiel durch Phototransistoren oder Phodioden, die
Streulicht des LED-Signalgebers einfangen. Wenn ein vorher
eingestellter Mindestwert unterschritten wird, dann führt
dies zu einer Abschaltung, beispielsweise mittels einer
Schmelzsicherung.
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Grundsätzlich wird aber immer eine Reserve für die
Lichtstärke in einer typischen Größenordnung von 100%
vorgehalten, um am Ende der Einsatzdauer die
Mindestanforderungen noch zu erfüllen.
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Lösungen zur Rückmeldung von Fehlerstufen wie beispielsweise
"20% Lichtstärkeabnahme", "40% Lichtstärkeabnahme" etc. sind
derzeit nicht bekannt. Außerdem sind herkömmliche
Ansteuergeräte und Steuerschaltungen der Systemhersteller und
-lieferanten oftmals nicht für eine solche Rückmeldung
ausgelegt.
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Um einen LED-Signalgeber zu dimmen, wird derzeit
üblicherweise der Betriebsstrom reduziert, wobei allerdings
die Helligkeit hierbei nicht kontrolliert wird.
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Bei der Erfindung ist eine Beleuchtungsanordnung mit einem
LED-Modul und einem Netzteil zur elektrischen Versorgung des
LED-Moduls vorgesehen, wobei ein von der optischen
Ausgangsleistung des LED-Moduls abhängiges Meßsignal erzeugt wird,
das Meßsignal in das Netzteil eingespeist wird,
und das Netzteil die elektrisch Versorgung des LED-Moduls
mittels des Meßsigals so regelt, daß im Betrieb das LED-Modul
eine vorgegebene Gesamtlichtstärke, Lichtstärkeverteilung
und/oder Leuchtdichte einhält.
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Dabei generiert das LED-Modul ein Signal, wenn eine bestimmte
vorgegebene Helligkeitsstufe erreicht ist. Optional können
auch mehrere Helligkeitsstufen mit unterschiedlichen Signalen
vorgegeben werden. Das Netzteil, welches das LED-Modul mit
Strom versorgt, wertet dieses Helligkeitssignal aus und
stellt damit den Strom durch das LED-Modul so ein, daß die
gewünschte Helligkeitsstufe gerade erreicht wird.
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Die Erfindung eignet sich insbesondere für LED-Signalgeber in
Ampel- oder Signalanlagen und weist folgende Vorteile auf:
- - Der LED-Signalgeber hält die geforderte Mindesthelligkeit
ein, wobei die Helligkeitsstufe des LED-Array gerade so
gewählt ist, daß dies der Fall ist.
- - Der LED-Signalgeber ist nur noch geringfügig (ca. 20%)
heller als dies durch die Norm gefordert ist, und erscheint
insbesondere nicht unangenehm hell.
- - Der LED-Signalgeber wird gerade mit der Leistung betrieben
wird, die zur Einhaltung der Normvorgaben erforderlich ist.
Dies führt vorteilhafterweise zu einem niedrigen
Energieverbrauch und einer hohen Lebensdauer.
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Mit dieser Rückkoppelung der Helligkeit des LED-Moduls läßt
sich also sowohl der Alterungseinfluss als auch das
thermische Verhalten der LEDs kompensieren. Gleichzeitig wird
der Energieverbrauch minimiert und die Lebensdauer maximiert.
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Die Normvorgaben erstrecken sich aber auch auf die
Lichtstärkeverteilung und die Leuchtdichteverteilung.
Vorzugsweise werden diese Parameter ebenfalls auf dem LED-
Modul geprüft. Im Fehlerfall wird ein entsprechendes
Fehlersignal generiert und in das Netzteil eingespeist. Beim
Auftreten eines solchen Fehlersignals schaltet das Netzteil
ab, beispielsweise durch Schmelzen einer Schmelzsicherung.
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Die Sicherstellung der Lichtstärkeverteilung erfolgt zum
einen durch optische Bauteile wie beispielweise einen
Kondensoren und/oder Streulinsen, zum anderen durch eine
Kontrolle, ob die LEDs, die in einer bestimmten Richtung eine
Lichtstärke hervorrufen, noch funktionieren.
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Dabei muß unterschieden werden zwischen einer flächigen
Lichtquelle, bei der die LEDs über die gesamte
Lichtaustrittsfläche verteilt sind und jeder LED oder jeder
LED-Gruppe ein eigener Kondensor zugeordnet ist, und einer
punktförmigen Lichtquelle, bei der die LEDs dicht gepackt
nahezu im Zentrum eines zu den LEDs in einem Abstand
montierten gemeinsamen Kondensors sitzen.
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Die oben beschriebene flächige Lichtquelle hat dabei die
Eigenschaft, daß bereits jede einzelne LED oder LED-Gruppe
mit dem zugehörigen Kondensor und der nachgeschalteten
Streuscheibe die vorgeschriebene Lichtstärkeverteilung
aufweist. Daher muß bei dieser Variante zur Sicherstellung
der Lichtstärkeverteilung keine Überwachung der Funktion der
LEDs erfolgen. Bei der punktförmigen Lichtquelle hingegen
sind verschiedene Bereiche des LED-Moduls auch für
verschiedene Abstrahlrichtungen verantwortlich, was eine
Funktionskontrolle der entsprechenden Bereiche erfordert.
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Für die Leuchtdichteverteilung ist eine derartige
Unterscheidung ebenfalls zweckmäßig. Hier ist allerdings bei
der flächigen Lichtquelle eine Funktionskontrolle notwendig,
weil hier jede LED oder LED-Gruppe einen bestimmten Bereich
der Lichtaustrittsfläche des Signalgebers abdeckt. Bei der
punktförmigen Lichtquelle hingegen beleuchtet jede LED nahezu
den gesamten Lichtaustrittsbereich, wodurch etwaige
Inhomogenitäten aufgrund ausgefallener LEDs hier nicht
auftreten, und daher in diesem Fall die Funktion der LEDs
nicht überprüft werden muß.
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Eine Funktionskontrolle der LEDs muß also bei einer
punktförmigen LED-Lichtquelle zur Sicherstellung der
Lichtstärkeverteilung, bei einer flächigen LED-Lichtquelle
zur Sicherstellung der Leuchtdichteverteilung durchgeführt
werden. Diese Funktionskontrolle kann entweder die optischen
oder elektrischen Parameter der LEDs testen. Allerdings muß
im Fall einer rein elektrischen Kontrolle aufgrund des
Degradationseinflusses eine weitere Maßnahme zur
Sicherstellung der optischen Parameter getroffen werden.
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Sobald die Normvorgaben durch den LED-Signalgeber nicht mehr
erfüllt werden, gibt das LED-Array eine Rückmeldung in Form
des oben genannten Fehlersignals an das Netzteil, das sich
dann abschaltet, beispielsweise durch Schmelzen einer
Schmelzsicherung. Da dann das Netzteil keinen Strom mehr
aufnimmt, erkennt der eine vorgeschaltete Steuerschaltung
(Controller) den Funktionsausfall. Somit sind insbesondere
herkömmliche Steuerschaltungen mit der Erfindung verwendbar,
ohne daß zusätzliche Steuerleitungen zwischen der
Steuerschaltung und dem Netzteil erforderlich sind.
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Das Zusammenwirken von LED-Modul und Netzteil, das
insbesondere darauf beruht, daß das LED-Modul bestimmte Signale wie
beispielsweise "Dimm-/Normalbetrieb", "Defekt" bzw. "End Of
Life" etc, gegebenenfalls in mehreren Stufen, generiert, und
das Netzteil diese Signale auswertet und entsprechend
reagiert, ermöglicht einen effizienten Betrieb für
Signalgeber mit LEDs.
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Für die Aussteuerung des LED-Signalgebers sind vom Controller
zum Netzteil keine zusätzlichen Steuerleitungen notwendig.
Dies führt zu einer vorteilhaften Kostenersparnis. Weiterhin
gleicht für den Controller ein Fehler einem Ausfall einer
herkömmlichen Glühlampe, d. h., wenn Strom fließt, ist die
Glühlampe funktionstüchtig, wenn kein Strom fließt, dann
liegt ein Fehler vor.
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Zwischen dem Netzteil und der LED-Lichtquelle sind keine
aufwendigen Schnittstellen notwendig. Zum Beispiel kann mit
nur zwei zusätzlichen Leitungen zwischen LED-Lichtquelle und
Netzteil die Rückmeldung der Helligkeitsstufe erfolgen, die
dann zum Aussteuern der Bestromung der LED-Lichtquelle dient.
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Wenn auf der LED-Lichtquelle ein Fehler vorliegt, der zur
Verletzung der Normvorgaben führt, so kann beispielsweise ein
geeignetes Signal an die Versorgungsleitungen gelegt werden.
Es könnte zum Beispiel eine "künstlicher Kurzschluß" der LED-
Lichtquelle erzeugt werden, der wiederum vom Netzteil erkannt
wird und dann zur Abschaltung des Netzteils führt, z. B. durch
Schmelzen einer Schmelzsicherung.
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Weitere Merkmale, Vorzüge und Zweckmäßigkeiten der Erfindung
werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
erläutert.
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In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild der Erfindung in Form
einer Ampelanlage schematisch dargestellt.
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Die Schlüsselfunktionen sind hierbei:
- - bei der LED-Lichtquelle: Die Rückmeldung der aktuellen
Helligkeitsstufe und die Möglichkeit, einen Ausfahl zu
signalisieren.
- - beim Netzteil: Die Möglichkeit zum Erkennen der vom
Controller vorgegebenen Sollvorgaben, beispielsweise anhand
der Höhe der Eingangsspannung, und der Ist-Werte der LED-
Lichtquelle wie Helligkeitsstufe, Defekt. Ferner weist das
Netzteil Mittel auf, um auf erkannten Parameter zu reagieren,
beispielsweise die Stromstärke regeln oder abschalten.
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Hiermit sind folgende Vorteile verbunden;
- - Die Einhaltung der Normvorgaben ist mit hoher Sicherheit
gewährleistet. Es sind keine Stufen-Fehlermeldungen wie "20%
ausgefallen", "40% ausgefallen" notwendig. Es wird
detektiert, ob die vorgegebenen Anforderungen erfüllt werden,
andernfalls erfolgt beispielsweise eine Abschaltung des
Netzteils.
- - Die Lichtquelle erscheint nicht nicht unangenehm hell,
weil Mindestanforderungen während der gesamten Betriebsdauer
nur knapp überschritten werden.
- - Das Netzteil kann unabhängig von der eingesetzten Farbe
und der eingesetzten LED-Helligkeitsklasse verwendet werden.
- - Die Lebensdauer wird gegenüber herkömmlichem
Vorrichtungen erhöht.
- - Der Energieverbrauch wird gegenüber herkömmlichem
Vorrichtungen verringert.
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Fig. 2 zeigt schematisch ein Realisierungsbeispiel der
Erfindung, das insbesondere die obengenannten Vorteile
aufweist.
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Die LEDs sind in Ketten angeordnet, auf die der eingespeiste
Strom mit einer geeigneten elektronischen Verschaltung
gleichmäßig aufgeteilt wird.
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Die optische Überwachung aller LEDs ist vergleichsweise
teuer. Daher wird von einer Referenz-LED-kette, die
vorzugsweise zur Unterdrückung von Streulicht zusammen mit
einem photoempfindlichen Bauelement unter einer Abdeckung
untergebracht ist, mithilfe dieses photoempfindlichen
Bauelements die Helligkeit ermittelt und mit einer geeigneten
elektronischen Schaltung in ein Signal umgewandelt, das dann
an das Netzteil weitergeleitet wird.
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Die LEDs in der Referenzkette und die LEDs des LED-Arrays
stammen vorzugsweise aus dem selben Fertigungslos. Da
weiterhin die Referenz-Kette mit dem selben Strom bestromt
wird und sowohl die Referenz-Kette und das LED-Array den
gleichen thermischen und chemischen Einflüssen ausgesetzt
sind, liefert die Referenz-Kette eine sehr zuverlässige
Aussage über die Gesamthelligkeit des LED-Arrays.
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Das an das Netzteil übergebene Signal über die
Helligkeitsstufe kann auch mehrere Stufen aufweisen, wodurch
z. B. der Dimm- oder der Normal-Modus signalisiert werden
kann. Das Netzteil steuert nun den Strom durch das LED-Array
so, daß die entsprechende Soll-Helligkeitsstufe, die
beispielsweise vom Controller vorgegeben wird, erreicht und
knapp überschritten wird.
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Die Definition der Helligkeitsstufen erfolgt bevorzugt auf
der LED-Lichtquelle beim Herstellungsprozess. Da jede LED-
Lichtquelle also gleichsam selbst bestimmt, welcher Strom
gerade notwendig ist, um die Helligkeitsvorgaben einzuhalten,
ist es nicht mehr notwendig, für jede Farbe ein separates
Netzteil bereitzustellen.
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Um die Einhaltung der Vorgaben bzgl. Leuchtdichte und
Lichtstärkeverteilung sicherzustellen, werden im LED-Array
die einzelnen LED-Ketten oder entsprechende LED-Bereiche
elektrisch überwacht (Stromüberwachung). Sind die
Normvorgaben nicht mehr erfüllt, dann wird eine Rückmeldung
an das Netzteil ausgelöst, zum Beispiel durch einen künstlich
erzeugten Kurzschluss auf der LED-Lichtquelle. Das Netzteil
reagiert auf diesen Fehlerfall beispielsweise mit dem
Durchschmelzen einer Schmelzsicherung, so daß das
primärseitig kein Strom mehr fließt. Dieser Rückgang des
primärseitigen Stroms dient zugleich als Signal für dem
Controller.
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In Fig. 3 sind Betriebsstrom und Helligkeit bei der
Erfindung in Abhängigkeit der Betriebsdauer gezeigt. Die
Helligkeit wird konstant über einer vorgegebenen
Mindesthelligkeit gehalten. Dazu wird der Betriebsstrom im
Laufe der Zeit erhöht, um alterungsbedingte Abnahme der
Helligkeit zu kompensieren. Beim Überschreiten eines
vorgegebenen Maximalstroms schaltet das Netzteil schließlich
ab.
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Fig. 4 zeigt die entsprechenden Größen einer
Beleuchtungsvorrichtung nach dem Stand der Technik. Hier ist
der Betriebsstrom konstant, es findet keine Regelung statt.
Um die alterungsbedingte Abnahme der Helligkeit unter die
Mindesthelligkeit zu vermeiden, ist zu Beginn des Betriebs
eine sehr viel größere Anfangshelligkeit erforderlich.
Dennoch sinkt die Helligkeit nach einer gewissen
Betriebsdauer unter die vorgegebene Mindesthelligkeit, ohne
daß eine Abschaltung erfolgt. Die erreichbare Betriebsdauer
ist hierbei deutlich kürzer als bei der Erfindung.
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Fig. 5 zeigt beispielhaft eine Schaltung für ein LED-Modul
zur Rückmeldung der Helligkeitsstufen. Die Schaltung umfaßt
eine Referenz-LED-Kette, die vermittels einer Stromverteilung
mit dem gleichen Betriebsstrom wie die übrigen Ketten des
LED-Moduls betrieben wird. Eine Photodiode detektiert die
optische Ausgangsleistung der Referenzkette. Über die beiden
Transistoren T1 und T2 sowie die nachgeschalteten Optokoppler
O1 und O2 wird aus dem Photostrom der Photodiode ein
zweistufiges Helligkeitssignal erzeugt, das beispielsweise
die Zustände "Dimmen" und "Normal" signalisieren kann.
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Weiterhin ist ein beispielhafter Signalverlauf für das
Rückmeldesignal dargestellt. Dabei werden die zwischen den
Signalleitungen SL liegenden Optokoppler zu dem
Gesamtwiderstand R zusammengefaßt. Aufgetragen ist dieser
Widerstand R in Abhängigkeit der Helligkeit.
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In Fig. 6 ist eine Geamtschaltung der Erfindung, umfassend
ein Netzteil und ein LED-Modul mit einem LED-Array und der in
Fig. 5 gezeigten Schaltung zur Rückmeldung der
Helligkeitsstufe dargestellt.
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In Fig. 7 sind weitere Schaltungsblöcke A, B, C und D
dargestellt, die jeweils kumulativ oder alternativ bei der
Erfindung, insbesondere bei einer Schaltung gemäß Fig. 6,
verwendet werden können.
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Block A umfaßt einen Transistor, der einen "künstlichen
Kurzschluß" hervorrufen kann, welcher insbesondere eine
Abschaltung des Netzteils zur Folge hat.
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Dieser Block A wird vorzugsweise mit einer Schaltung gemäß
Block C angesteuert, in den wiederum mittels Sigalleitung 5
ein Signal eingespeist wird, das den Ausfall einer oder
mehrerer LED-Ketten des LED-Arrays anzeigt.
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Falls das Netzteil nicht zur Verarbeitung eines "künstlichen
Kurzschlusses" ausgelegt ist, kann auch mittels Block B und C
ein entsprechendes, den Ausfalls von LED-Ketten anzeigendes
Signal für die Steuerleitung des Netzteils generiert werden.
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In Block D ist schließlich ein Einstellwiderstand und/oder
ein thermischer Widerstand vorgesehen, der als Steuersignal
für das Netzteil dient. Hiermit können beispielsweise
Änderungen der Betriebstemperatur und eine damit verbundene
Änderung der Helligkeit des LED-Array berücksichtigt werden.