DE10239449A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Realisierung von LED-Leuchten mit Farb- und/oder Helligkeitseinstellung und dem dazugehörigen Bedienelement - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Realisierung von LED-Leuchten mit Farb- und/oder Helligkeitseinstellung und dem dazugehörigen Bedienelement

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Abstract

Die Erfindung beinhaltet in Farbe und/oder Helligkeit einstellbare LED-Leuchten und das dazugehörige Bedienelement. Für unterschiedliche Beleuchtungsszenarien soll sowohl die Helligkeit als auch die Farbe eingestellt werden können. Farb- und Helligkeitsstreuungen der eingesetzten LEDs werden erfindungsgemäß durch ein geeignetes Elektronikschaltungskonzept kompensiert, bei dem einzelne LEDs zumindest zeitweilig als Fotodioden genutzt werden. Das Bedienelement ist ein vorzugsweise flächig ausgeführtes Sensorarray mit aufgedrucktem Farbdreieck, bei dem über die Position des Fingers des Bedieners die Farbe und vorzugsweise über die Dauer der verharrenden Berührung des Fingers die Helligkeit eingestellt wird. Die gewählte Helligkeit und Farbe wird vorzugsweise über ein serielles Bussystem, z. B. ein Installationsbussystem, vom Bedienelement zur Leuchte übertragen.

Description

  • Die Erfindung betrifft in Farbe und/oder Helligkeit einstellbare LED-Leuchten über in der Helligkeit geregelte Leuchtdioden (LEDs) und/oder das dazugehörige Bedienelement. Für unterschiedliche Beleuchtungsszenerien soll sowohl die Helligkeit als auch die Farbe eingestellt werden können. Farb- und Helligkeitsstreuungen der eingesetzten LEDs werden erfindungsgemäß durch ein geeignetes Elektronikschaltungskonzept kompensiert. Dabei werden einzelnen LEDs zeitweilig als Fotodioden genutzt.
  • Es sind LED-Leuchten z. B. aus DE 100 26 661 "Universelle LED-Lampe für Innen- und Außenleuchten im Netzbetrieb, DE 100 13 056 "LED- Lichtquellenmodul und Beleuchtungsanordnung", DE 198 31 004 "LED- Leuchte für ein Kraftfahrzeug" oder DE 199 43 345 "LED-Leuchte" bekannt, bei denen entweder mehrere farbige LEDs der drei Primärfarben rot, grün und blau zur Bildung weißen Lichts oder mit blauen LEDs und Konversionsfarbstoff realisierte "weiße LEDs" verwendet werden.
  • Aus DE 196 51 140 "Leuchte mit geringem Stromverbrauch", DE 100 31 303 "Beleuchtungsvorrichtung mit lichtemittierenden Dioden (LED), Beleuchtungsverfahren und Verfahren zur Bildaufzeichnung mit derartiger LED-Beleuchtungsvorrichtung" ist eine Beleuchtungsvorrichtung bekannt, bei der die Beleuchtungsvorrichtung Regelungsmittel aufweist, die Farbtemperatur und Intensität mindestens eines Leuchtpixels messen, mit den vorgegebenen Werten vergleichen und die Ansteuervorrichtung derart regeln, dass das emittierte Licht des Leuchtpixels die vorgegebenen Farbtemperatur und Intensitätsparameter aufweist.
  • DE 198 56 408 "Kapazitives Sensorsystem für berührungslos durch elektrisch nicht leitende Materialien hindurch arbeitende bzw. bedienbare Tastaturen, Sensoranordnungen, Sensorflächen und/oder berührungssensitive Anzeigesysteme" und DE 199 39 159 "Berührungsempfindliches kapazitives Sensormatrixfeld" beschreiben mögliche Grundprinzipien einer Sensorfläche, wie sie als Bedienelement für die erfindungsgemäße LED-Leuchte eingesetzt werden können. Die in DE 195 12 150 "Eingabegerät sowie Berührungsbildschirm" und DE 43 12 672 "Vorrichtung und Verfahren eines berührungslosen mauskompatiblen PC-Zeigereingabegerätes" können prinzipiell ebenfalls als Bedienelement für die erfindungsgemäße LED- Leuchte eingesetzt werden. Dabei muss keine absolute Farbposition vorgegeben werden, sondern eine Verstärkung oder Reduktion einzelner Grundfarben und oder der Gesamthelligkeit. Zudem sind Zeigereingabegeräte wie Joysticks oder Touchpads, wie sie in PCs oder Notebooks oder in berührungssensitiven Bildschirmen (Touch-Screens) eingesetzt werden, bekannt. Bei resisitiven Touchpads werden hochohmige Widerstandsschichten als Basissensor eingesetzt und die räumliche Verteilung von über den Bedienerfinger fließenden Ableitströmen gemessen. Alternativ werden durch den Fingerdruck veränderte elektrisch leitende Strukturen eingesetzt.
  • Die genannten Zeigereingabesysteme, Sensorflächen, Touchpads oder Joysticks sind nicht für einen direkten Einsatz als Bedienelement für in Farbe und Helligkeit einstellbare LED-Leuchten geeignet. Für eine Anwendung als Bedienelement zur Farb- und Helligkeitseinstellung von LED-Leuchten müssen sie geeignet modifiziert werden.
  • Mit den bekannten Leuchten soll in Helligkeit und Farbe möglichst konstantes Licht erzeugt werden. Ein Problem dabei sind die nicht konstanten optischen Eigenschaften von LEDs. In Abhängigkeit von Temperatur, Herstellungsstreuungen und Alterung verändern sich die optischen Eigenschaften und damit die Helligkeit und Farbe der LED-Lampen. Die Lebensdauer von LEDs wird durch die Degradation bestimmt. Die Lebensdauer entspricht der Zeit, innerhalb der die Strahlungsintensität auf die Hälfte abnimmt.
  • Aufgabe der Erfindung ist die Realisierung von in Farbe- und Helligkeit einstellbaren LED-Leuchten mit unselektierten LEDs und einem geeigneten Bedienelement, mit dem sehr einfach sowohl die Farbe als auch die Helligkeit der Leuchte eingestellt werden kann.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass über ein vorzugsweise flächig ausgeführtes Sensorarray ein Bedienelement mit aufgedrucktem oder andersartig beschrifteten Farbdreieck, wie es beispielhaft in Fig. 1 dargestellt ist, oder einem Farbkreis oder einer Farbskala realisiert wird, bei dem über die Position des Fingers des Bedieners auf dem Bedienelement die Farbe und vorzugsweise über die Dauer der verharrenden Berührung des Fingers die Helligkeit eingestellt wird. Hiermit werden die drei Farbkanäle im dreidimensionalen Farbenraum vorgegeben. Die gewählte Helligkeit und Farbe wird vorzugsweise über ein serielles Bussystem, z. B. ein Installationsbussystem, zur Leuchte übertragen.
  • In der Lampe werden rote, grüne und blaue LEDs verwendet (entsprechend den Eigenschaften des menschlichen Auges, was nur Farbrezeptoren für die drei Basisfarben besitzt), vorzugsweise werden zusätzlich weiße LEDs eingesetzt. Damit unselektierte, kostengünstige LEDs genutzt werden können und zudem die optischen Eigenschaften während einer Betriebsdauer konstant bleiben, werden einzelne LEDs kurzzeitig als Photodioden betrieben und so die Farbe und Helligkeit der anderen LEDs der Leuchte und die Umgebungshelligkeit gemessen. Durch Reflexionen z. B. an einer Streuscheibe empfangen die zur Messung genutzten LEDs auch Licht benachbarter LEDs. Mit jeweils mindestens einer roten, einer grünen und einer blauen, als Photodiode geschalteten LED (bzw. durch deren Bandpasserhalten) wird nach dem Dreibereichsverfahren (Tristimulusverfahren) ein Farbmessgerät mit optischen Farbfiltern emuliert. Die spektralen Empfindlichkeitsverteilungen der zum Messen genutzten LEDs entsprechen deren Sendespektren. Die LEDs werden somit sowohl zur Erzeugung des Lichtes mit definierter Farbe, als auch zur Farb- und Helligkeitsmessung eingesetzt. Nach der Einstellung der gewünschten Helligkeit und der Farbe durch den Bediener wird über die Farb- und Helligkeitsmessung mit den LEDs und einer geeigneten Elektronikschaltung die Farbe und die Helligkeit konstant gehalten. Ebenso kann eine tageslichtabhängige Regelung der Helligkeit und der Lichtfarbe erfolgen.
  • Alternativ kann selbstverständliche auch z. B. ein handelsüblicher Dreibereichsfarbsensor mit drei Photodioden und drei optischen Farbfiltern eingesetzt werden.
  • Der Leistungsteil der Elektronik enthält vorzugsweise ein oder mehrere Schaltelemente (Transistorschalter) mit denen energiesparend der effektive Strom über das Verhältnis von Einschalt- zur Ausschaltzeit durch die LEDs vorgegeben wird. Während des Einschaltens ist die Spannung über dem Schaltelement und während des Ausschaltens der Strom durch das Schaltelement näherungsweise null, wodurch die Verlustleistung gering und der Wirkungsgrad der Lampe hoch ist. Durch geeignet geschaltete Induktivitäten und/oder Kondensatoren wird der Stromfluss verstetigt. Ein Ausführungsbeispiel einer solchen Anordnung ist in Fig. 4 dargestellt.
  • Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung können preiswerte LED-Leuchten mit der Möglichkeit zur Farb- und Helligkeitseinstellung und mit konstanter Helligkeit und Farbe realisiert werden.
  • Die Ansteuerung des Leistungsteils der Elektronik, die Verarbeitung der Messsignale usw. erfolgt vorzugsweise über einen oder mehrere Mikrocontroller oder geeignete Logikschaltkreise. Die Regelung der Helligkeit der einzelnen LEDs bzw. LED-Gruppen kann wegen der geringen Anstiegs- und Abfallzeiten entweder direkt erfolgen, oder es kann alternativ kann, wie prinzipiell in Fig. 3 dargestellt ist, eine unterlagerte Regelung des effektiven Stromes durchgeführt werden.
  • Für einen optimalen Betriebs der LEDs erfolgt eine zusätzliche Temperaturmessung, z. B. über einen zusätzlichen Temperatursensor, einen temperaturabhängigen Widerstand oder durch die Messung der Verschiebung der mit steigender Temperatur in Richtung kleinerer Durchlassspannungen verschobenen Durchlasskurve (Durchlassstrom über Durchlassspannung), der LEDs. Die Temperaturabhängigkeit des Photostromes wird über die gemessene Temperatur ebenfalls kompensiert.
  • Je nach Kostenaufwand für die Realisierung der Umschaltung der LEDs zwischen normalem Betriebsmodus und Photodiodenbetriebsmodus können auch eigene, vorzugsweise gleiche LEDs zur Messung der Helligkeit und Farbe genutzt werden.
  • Anstelle der oben beschriebenen Bedienelementes können auch PC-Maus-, joystickähnliche oder andere Zeigereingabegeräte als Bedienelement für die erfindungsgemäße LED-Leuchte eingesetzt werden. Dabei muss keine absolute Farbposition vorgegeben werden, sondern es kann auch eine Verstärkung oder Reduktion einzelner Grundfarben und/oder der Gesamthelligkeit vorgegeben werden.
  • Eine andere Möglichkeit ist die Vorgabe der Farbe über Potentiometer, ggf. ist ein zusätzliches Potentiometer für eine gemeinsame Verstellung sinnvoll.
  • Sofern eine tageszeitabhängige Änderung und/oder Regelung der Lichtfarbe vorgesehen ist, kann beispielsweise gegen Mittagszeit ein höherer Blauanteil eingestellt werden und gegen Feierabend der Rotanteil erhöht werden.
  • Hierdurch wird eine positive psychische Wirkung erreicht.
  • Zur Beschreibung einzelner Ausführungsbeispiele sind folgende Figur beigefügt:
  • Fig. 1 zeigt einen einfachen, grundlegenden Datenflussgrafen (Instanzennetz) der erfindungsgemäßen Anordnung und des Verfahrens. Darin bezeichnen die Rechtecke so genannte Instanzen, das sind Funktionseinheiten mit definierter Zuständigkeit und Autonomie, und die Kreise so genannte Datenräume, sie enthalten hier Informationen.
  • Fig. 2 zeigt ein Beispiel für eine Frontansicht des Bedienelementes. Durch das Annähern oder Auflegen des Bedienerfingers wird über die Position des Fingers die Farbe und vorzugsweise über die Dauer der verharrenden Berührung des Fingers die Helligkeit eingestellt.
  • Fig. 3 beinhaltet ein grundlegendes Regelkonzept für einzelne LED-Gruppen. Aus Übersichtsgründen ist die temperaturabhängige Begrenzung der LED- Ströme nicht mit eingetragen. Anstelle der unterlagerten Stromregelung kann wegen der kurzen Anstiegs- und Abfallzeiten von Photodioden und LEDs auch eine direkte Regelung der einzelnen Farbhelligkeiten erfolgen.
  • Fig. 4 zeigt ein Elektronikkonzept des Leistungsteils der erfindungsgemäßen Anordnung, θ symbolisiert ist die gemessene Temperatur.
  • Fig. 5 ein einfaches Elektronikkonzept für die Messung der Farbhelligkeiten. Darin arbeitet die als Photodiode genutzte LED als frequenzbestimmendes Element eines Oszillators. Die Frequenzen des rechteckförmigen Ausgangssignals kann direkt von einem Mikrocontroller gemessen und ausgewertet werden.

Claims (19)

1. Verfahren und Vorrichtung zur Realisierung von LED-Leuchten mit Farb- und/oder Helligkeitseinstellung und dem dazugehörigen Bedienelement dadurch gekennzeichnet, dass über ein vorzugsweise flächig ausgeführtes Sensorarray ein Bedienelement mit aufgedrucktem oder andersartig beschrifteten Farbdreieck oder einem Farbkreis oder einer anderen Farbskala realisiert wird, womit über die Position des Fingers des Bedieners die Farbe und über die Dauer der verharrenden Berührung die Intensität eingestellt wird und die gewählte Helligkeit und Farbe über rote, grüne und blaue LEDs und ggf. zusätzliche weiße LEDs erzeugt wird und/oder einzelne LEDs sowohl zur Erzeugung des Lichtes mit definierter Farbe als auch zur Farbmessung genutzt werden, indem sie zumindest kurzzeitig als Photodioden betrieben werden und die vom Bediener eingestellte und gewünschte Farbe und Helligkeit des Lichtes über eine geeignete Elektronikschaltung während der Betriebszeit konstant gehalten wird.
2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine tageslichtabhängige Regelung der Helligkeit und der Lichtfarbe entsprechend der vom Bediener eingestellten und gewünschten Lichtfarbe erfolgt und damit durch Nutzung des Tageslichtes eine Energieeinsparung ermöglicht wird.
3. Verfahren und Vorrichtung nach den Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Benutzer über das Bedienelement gewählte Helligkeit und Farbe vom Bedienelement über ein serielles Bussystem, vorzugsweise ein Installationsbussystem, zur Leuchte übertragen wird.
4. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Streuscheibe oder geeignetes Streumaterial in einem definiertem Abstand und in einem definierten Bereich des Abstrahlungswinkels der LEDs angeordnet ist.
5. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle der zumindest kurzzeitig als Photodioden betrieben LEDs einzelne, vorzugsweise gleiche LEDs ausschließlich zur Messung genutzt werden, oder dass ein Dreibereichsfarbsensor oder einzelne Farbsensoren eingesetzt werden.
6. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsteil der Elektronik Schaltelemente, vorzugsweise Transistorschalter enthält, mit denen energiesparend der effektive Strom durch die LEDs über das Verhältnis von Einschalt- zur Ausschaltzeit vorgegeben wird und durch geeignet geschaltete Induktivitäten und/oder Kondensatoren der Stromfluss verstetigt wird.
7. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise gleichfarbige LEDs seriell in Gruppen geschaltet sind.
8. Verfahren und Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der Schaltelemente des Leistungsteils über einen oder mehrere Mikrocontroller oder über geeignete Logikschaltkreise erfolgt.
9. Verfahren und Vorrichtung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der LEDs über eine direkte Helligkeitsregelung oder eine Helligkeitsregelung mit unterlagerter Regelung der Ströme durch die LEDs erfolgt.
10. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Begrenzung des Stromes durch die LEDs auf vorgegebene maximal zulässige Werte erfolgt.
11. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 8, 9 und/oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Temperaturmessung zur Regelung des temperaturabhängigen maximal zulässigen Betriebsstroms der LEDs und/oder zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit des Photostromes bei Betrieb einzelner LEDs als Photodiode erfolgt.
12. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmessung über die Messung der Verschiebung der Durchlasskennline einer oder mehrer LEDs erfolgt.
13. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmessung über die Messung eines temperaturabhängigen Widerstandes oder eines Temperatursensors erfolgt.
14. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass PC-Maus- oder joystickähnliche oder andere Zeigereingabegeräte als Bedienelement für die erfindungsgemäße LED-Leuchte eingesetzt werden.
15. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle eines absoluten Farbortes eine relative Farbposition vorgegeben wird, indem durch den Bediener über das Bedienelement eine Verstärkung oder Reduktion einzelner Grundfarben und oder der Gesamthelligkeit vorgegeben werden.
16. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Potentiometer oder elektronische Potentiometer oder Drehköpfe für Farb- und/oder Helligkeitseinstellungen eingesetzt werden.
17. Verfahren und Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Photostrom der jeweils zur Messung als Photodiode geschalteten LED aufintegriert wird.
18. Verfahren und Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Integration des Photostroms zur Realisierung eines Oszillators genutzt wird und die Ausgangsfrequenz des Oszillators zumindest näherungsweise proportional zu Photostrom ist.
19. Verfahren und Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine tageszeitabhängige Änderung und/oder Regelung der Lichtfarbe erfolgt.
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