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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Lampen mit lichtemittierenden Dioden (LED), die in elektrischen Einrichtungen zur Anwendung kommen, insbesondere einen Abwärts- und stromstabilisierenden Freilaufstromrichter auf sekundärer Seite, der einen konstanten Strom mit einer geringen Amplitude der Welligkeit abgibt, um das Strobeproblem der LED-Lampen mit dem Konzept der Kombination der Regelstruktur einer Spannungsregelung (PSR) mit der Ausgabestruktur einer Stromregelung auf sekundärer Seite zu umgehen.
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Stand der Technik
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Wegen den physikalischen Eigenschaften der populären LED-Lichtquelle ist ein Stromrichter zum Umwandeln des Wechselstroms (AC) in den Gleichstrom (GS) erforderlich, um das Licht auszustrahlen. In verschiedenen Typen der Stromrichter wird ein Schaltnetzteil (SPS) mit den Funktionen einer hohen Leistungsfähigkeit, mit einem kleinen Umfang, einem leichten Gewicht und der leicht zusammensetzbar ist und der einen großen Ausgangsspannungsbereich aufweist, weitverbreitet in solchen Gebieten wie LCD-Geräten, Fernsehern oder LED-Lampen verwendet, wobei der Schaltnetzteil generell aus Boost-, Abwärts-, Freilauf-, Vorwärtskopplungs- und aus Gegentaktschaltungsstrukturen besteht. Unter diesen Schaltungen werden üblicherweise Freilaufschaltungen mit den Funktionen eines fortgeschrittenen Schaltkreises und mehreren einfachen Ausgängen in LED-Lampen verwendet. Wegen der Leistungsbegrenzung der Anwendungsweise funktionieren die Energiespar-LED-Lampen generell mit einem einstufigen Wandler, während eine LED mit großer Leistung generell mit einem zweistufigen Wandler funktioniert.
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Die 1 zeigt einen Stromrichter 1, der mit einer einstufigen Freilaufschaltungsstruktur funktioniert, eine Steuermethode der Pulsweitenmodulation (PWM) zum Regeln eines Betriebsstroms (Io) nutzt und diesen an mehrere LEDs 2 ausgibt, um die LEDs 2 mit einem konstanten Strom zu betreiben und eine stabile Beleuchtungsqualität zu erzielen. Eine solche Stromrichterschaltung nach dem Stand der Technik weist jedoch die Nachteile einer Niedriglast-Einstellpräzision, eines Strobeproblems bei der Frequenz von 120 Hz und das Problem einer elektromagnetischen Störung (EMI) auf. Weiter kommt die relativ große Welligkeit des Betriebsstroms hinzu.
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Die 2 zeigt daher, dass der Stromrichter 1 mit einer zweistufigen Freilaufschaltungsstruktur der Blindleistungskompensation (PF) funktioniert, wobei dessen Transformator 10 eine Primärspule (NP), Sekundärspule (NS) und eine zusätzliche Spule (NA) umfasst, wobei die Primärspule elektrisch mit einem Brückengleichrichter 11 und die Primärspule sowie die zusätzliche Spule elektrisch mit einem (PFC IC) 12 verbunden sind. Die Sekundärspule ist über eine Ausgangsinduktivität 13 elektrisch mit den LEDs 2 verbunden, während die Sekundärspule und die Ausgangsinduktivität 13 elektrisch mit einer integrierten GS/GS-Schaltung (DC/DC IC) 14 und die Ausgangsinduktivität 13 über einen Optokoppler 15 elektrisch mit dem PFC IC 12 verbunden sind. Nachdem der Stromrichter 1 die Eingangsspannung, die mit dem Brückengleichrichter 11 gleichgerichtet und ausgegeben wurde, mit dem Transformator 10 umwandelt, wandelt die Ausgangsinduktivität 13 eine für die LEDs 2 erforderliche Betriebsspannung um und bildet diese. Gleichzeitig nutzt der Stromrichter 1 den Optokoppler 15, den DC/DC IC 14 und den PFC IC 12 zum Überwachen eines Ausgangsspannungswerts der Betriebsspannung, um den Betriebszyklus der Primärspule zu steuern und die Größe des von der Sekundärspule ausgegebenen Spannungswerts zu beeinflussen und den Effekt einer stabilen Ausgabe der Betriebsspannung zu erzielen. Eine solche Schaltungsstruktur, die den Optokoppler 15 zum Erzielen der elektrischen Isolierung nutzt, während die sekundäre elektrische Signalrückführungssteuerung generell die Probleme einer Verwendung von zu vielen Komponenten aufweist, funktioniert mit einem großen Kreislauf und weist eine geringe Integration auf, wobei der Optokoppler 15 Einschränkungen bei dessen Anwendung aufweist, da dieser leicht abgenutzt oder beschädigt wird und dessen Leistung bei Temperaturschwankungen oder wegen der Alterung auch sehr unstabil ist, d.h. eine solche Schaltungsstruktur ist sehr kompliziert und kostspielig, so dass er sich für die industrielle Entwicklung und bei der Anwendung als eher hinderlich erweisen kann.
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Angesichts der obengenannten Nachteile des Standes der Technik besteht ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung in der Verwendung der vorhandenen elektronischen Komponenten zum Ausbessern der Schaltungsstruktur des isolierten Stromrichters sowie darin, dass mit der Schaltungsstruktur der Ausgangsstrom konstant und stabil gehalten wird, ohne dass dazu ein Optokoppler für die Rückführung der sekundären Lastinformationen benötigt wird, um einen strobefreien Effekt des Stromrichters zu erzielen, einen kostengünstigen Vorteil zu schaffen und um den wirtschaftlichen Effekt zu verbessern.
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Aufgabe der Erfindung
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Ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Umgehung der Nachteile der Ausführungsform nach dem Stand der Technik durch Schaffung eines Abwärts- und stromstabilisierenden Freilaufstromrichters auf sekundärer Seite, wobei in den LED-Flächenleuchten, LED-Downlights oder LED-Glühbirnen Stromwandler verwendet werden, um das Strobeproblem bei der Beleuchtung zu umgehen und die Ermüdung und Schädigung der Augen langfristig zu vermeiden.
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Zum Erreichen der obengenannten und weiterer Ziele wird mit der vorliegenden Erfindung einen Abwärts- und stromstabilisierenden Freilaufstromrichter auf sekundärer Seite geschaffen, der mit einer zweistufigen isolierten Schaltungsstruktur funktioniert und mit dem ein Energiespar-LED-Modul zum Erzielen einer strobefreien Ausgabe sowie zum Verbessern des Beleuchtungseffekts des LED-Moduls angetrieben wird. Der Abwärts- und stromstabilisierenden Freilaufstromrichter auf sekundärer Seite umfasst dabei die folgenden Komponenten: ein Eingangsmodul, das elektrisch mit einer externen Stromquelle verbunden ist und mit dem ein Eingangsstrom ausgegeben wird; ein Wandlermodul, der mit einer Freilaufschaltungsstruktur funktioniert und aus einer Primärspule, Reglerspule, einem Regler, Eisenkern und aus einer Sekundärspule besteht, wobei die Primärspule und die Reglerspule auf einer Primärseite des Eisenkerns und die Sekundärspule auf einer Sekundärseite des Eisenkerns installiert sind, während der Regler elektrisch mit der Primärspule und der Reglerspule und die Primärspule elektrisch mit einem Eingangsmodul verbunden sind, wobei mit der Sekundärspule durch die magnetische Induktion des Eisenkerns nach Empfangen des Eingangsstroms eine Ausgangsspannung gebildet wird, während die Reglerspule durch die magnetische Induktion des Eisenkerns ein Reglersignal bildet und dieses Reglersignal dem Regler zugeführt wird, um mit diesem den Arbeitszyklus der Primärspule zu regeln, und wobei ein Ausgangsmodul, das mit einer Abwärtsschaltungsstruktur funktioniert und einen Stromstabilisator umfasst, wobei das Ausgangsmodul elektrisch mit der Sekundärspule und dem LED-Modul verbunden ist; mit der Ausgangsspannung ein an das LED-Modul auszugebendes Ausgangsstrom umgewandelt und gebildet wird; mit dem Stromstabilisator der Arbeitszyklus der Ausgangsspannung des gemessenen Ausgangsstrom nach dem Belastungseffekt des LED-Moduls geregelt wird, um die Gesamtleistung des Ausgangsstroms konstant zu halten und die Amplitude der Welligkeit des Ausgangsstroms zu reduzieren.
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Das Wandlermodul umfasst eine Stromstabilisatorspule, die auf der Sekundärseite des Eisenkerns installiert ist, wobei die Stromstabilisatorspule elektrisch mit dem Ausgangsmodul verbunden ist und durch die magnetische Induktion des Eisenkerns eine konstante Stromspannung bildet, wobei die konstante Stromspannung für den Stromstabilisator als eine Bezugsbasis zum Regeln der Ausgangsspannung dient. Der Stromstabilisator umfasst ein Sensorelement, das mit mindestens zwei in Reihe geschalteten Widerständen gebildet ist. Mit dem Sensorelement wird der Belastungseffekt des LED-Moduls am Ausgangsstrom gemessen, um einen gemessenen Wert zu bilden und den Stromstabilisator zum Regeln des Arbeitszyklus der Ausgangsspannung anzutreiben. Der Stromstabilisator umfasst einen Stromstabilisatorchip und einen Stromstabilisatorschalter, wobei der Stromstabilisatorchip elektrisch mit der Stromstabilisatorspule verbunden ist. Mit dem Stromstabilisatorschalter und dem Sensorelement werden der konstante Strom und die Spannung empfangen und der Arbeitszyklus des Stromstabilisatorschalters nach dem Vergleichen des gemessenen Werts geregelt, um die Taktzeit der Ausgangsspannung zu korrigieren und einen Effekt des konstanten Stroms zu erzielen. Der Regler umfasst einen Reglerchip, eine Reglerschaltung und ein detektierendes Element. Das detektierende Element ist elektrisch mit der Reglerspule und mit dem Reglerchip verbunden, während die Reglerschaltung elektrisch mit dem Reglerchip und mit der Primärspule verbunden ist. Beim magnetischen Induzieren des Eingangsstroms mit der Reglerspule, um eine geregelte Spannung zu erhalten, erkennt das detektierende Element das gebildete Reglersignal und führt dieses Reglersignal zurück an den Reglerchip, um mit dem Reglerchip den Arbeitszyklus der Reglerschaltung zu regeln und die Zykluszeit des von der Primärspule empfangenen Eingangsstroms zu korrigieren und so einen Effekt der Spannungsregelung zu erzielen.
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Als Zusammenfassung der obenstehenden Beschreibung nutzt die vorliegende Erfindung eine umgekehrte Denkensweise, um die Freilaufstromrichterschaltung und die Abwärtsstromrichterschaltung nach dem Stand der Technik in LED-Lampen anzuwenden, und nutzt zum Stabilisieren der Spannung eine PSR-Freilaufschaltung der primären Stufe und danach die Abwärtsschaltung auf der Sekundärseite, um den Ausgangsstrom konstant zu halten und so die Amplitude der Welligkeit effektiv zu reduzieren und einen strobefreien Effekt bei der Beleuchtung zu erzielen. Da die Sekundärseite mit einer Abwärtsschaltungsstruktur in der vorliegenden Erfindung funktioniert, so dass die Betriebsspannung der Schaltung daher niedriger ist und die vorliegende Erfindung die gegenwärtig verfügbaren elektronischen Komponenten und Steuerchip anwenden kann, um den Kostenaufwand der Komponenten niedrig zu halten und die Erwartungen der Entwicklungen in der Industrie und Wirtschaft zu erfüllen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt ein Schaltdiagramm eines einstufigen Freilaufstromrichters nach dem Stand der Technik;
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2 zeigt ein Schaltdiagramm eines zweistufigen Freilaufstromrichters nach dem Stand der Technik;
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3 zeigt ein Blockdiagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
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4 zeigt ein Schaltdiagramm (A) eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
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5 zeigt ein Schaltdiagramm (B) eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Die oberen und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der untenstehenden Beschreibung mit Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen offensichtlicher.
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Die 3 bis 5 zeigen das Blockdiagramm und die Schaltdiagramme eines Abwärts- und stromstabilisierenden Freilaufstromrichters nach einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Abwärts- und stromstabilisierende Freilaufstromrichter 3 auf sekundärer Seite funktioniert mit einer zweistufigen isolierten Schaltungsstruktur, wobei mit dem Stromrichter 3 ein Energiespar-LED-Modul 4 angetrieben wird, um einen stroboskopfreien Effekt zu erzielen und den Beleuchtungseffekt des LED-Moduls 4 zu verbessern. Der Freilaufstromrichter 3 umfasst ein Eingangsmodul 30, ein Wandlermodul 31 und ein Ausgangsmodul 32, wobei das Eingangsmodul 30 elektrisch mit einer externen Stromquelle (VS) und mit dem Wandlermodul 31 verbunden ist. Das Wandlermodul 31 funktioniert mit einer Freilaufschaltungsstruktur und ist elektrisch mit dem Ausgangsmodul 32 verbunden. Das Ausgangsmodul 32 funktioniert mit einer Abwärtsschaltungsstruktur und ist elektrisch mit dem LED-Modul 4 verbunden. Das Eingangsmodul 30 weist ein Gerät 300 für die elektromagnetische Störung und einen Brückengleichrichter 301 auf, wobei ein Ende des Brückengleichrichters 301 über das EMI-Gerät 300 elektrisch mit einer externen Stromquelle verbunden, um einen Wechselstrom (WS) zu empfangen, während das andere Ende des Brückengleichrichters 301 elektrisch mit dem Wandlermodul 31 verbunden ist, wobei mit diesem der Wechselstrom zum Bilden eines an das Wandlermodul 31 auszugebenden Eingangsstroms gleichgerichtet wird.
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Das Wandlermodul 31 umfasst eine Primärspule (NP), Sekundärspule (NS), Reglerspule (NA), Stromstabilisatorspule (NC), einen Eisenkern (T) und einen Regler 310, wobei der Regler 310 aus einem Reglerchip 3100, einer Reglerschaltung 3101 und aus einem detektierenden Element 3102 besteht. Die Primärspule und die Reglerspule sind auf der Primärseite des Eisenkerns installiert, während die Sekundärspule und die Stromstabilisatorspule auf der Sekundärseite des Eisenkerns installiert sind. Die Primärspule ist elektrisch mit dem Brückengleichrichter 301, dem Reglerchip 3100 und mit der Reglerschaltung 3101 verbunden, während der Reglerchip 3100 elektrisch mit der Reglerschaltung 3101 und mit dem detektierenden Element 3102 verbunden ist. Das detektierende Element 3102 ist elektrisch mit der Reglerspule und die Sekundärspule sowie die Stromstabilisatorspule sind elektrisch mit dem Ausgangsmodul 32 verbunden. Nachdem die Primärspule den Eingangsstrom empfängt induziert die Sekundärspule magnetisch eine Ausgangsspannung und bildet diese durch den Eisenkern. Das Ausgangsmodul 32 empfängt die Ausgangsspannung und wandelt diese um, um einen zum LED-Modul 4 auszugebenden Ausgangsstrom zu bilden und mit dem LED-Modul 4 das Licht auszustrahlen. Weiter wird mit der Reglerspule durch die magnetische Induktion des Eisenkerns eine geregelte Spannung gebildet, wobei nachdem das detektierende Element 3102 die geregelte Spannung empfängt und das Reglersignal erkennt und bildet, dieses Reglersignal zurück an den Reglerchip 3100 geführt wird, um mit dem Reglerchip 3100 den Arbeitszyklus der Reglerschaltung 3101 anzupassen und die Zykluszeit des von der Primärspule empfangenen Eingangsstroms zu regeln, um die Größe der mit der magnetischen Induktion der Sekundärspule gebildeten Ausgangsspannung zu beeinflussen und so den Effekt zum Stabilisieren der Spannung zu erzielen. Gleichzeitig wird mit der Stromstabilisatorspule eine konstante Stromspannung durch die magnetische Induktion des Eisenkerns gebildet.
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Das Ausgangsmodul
32 besteht aus einem integrierten Stromstabilisator
320, wobei der Stromstabilisator
320 einen Stromstabilisatorchip
3200, Stromstabilisatorschalter
3201 und ein Sensorelement
3202 umfasst, wobei das Sensorelement
3202 mit mindestens zwei in Reihe geschalteten Widerständen gebildet ist. Der Stromstabilisatorchip
3200 ist elektrisch mit der Stromstabilisatorspule verbunden, um die konstante Stromspannung zu empfangen, während der Stromstabilisatorschalter
3201 elektrisch mit der Sekundärspule, dem Stromstabilisatorchip
3200 und mit dem Sensorelement
3202 verbunden ist, während das Sensorelement
3202 elektrisch mit dem LED-Modul
4 verbunden ist. Der Stromstabilisator
32 nutzt das Sensorelement
3202 zum Messen des Belastungseffekts des Ausgangsstroms am LED-Modul
4, um einen gemessenen Wert zu bilden, der an den Stromstabilisatorchip
3200 zurückgeführt wird. Der Stromstabilisatorchip
3200 nutzt die konstante Stromspannung als eine Bezugsbasis zum Vergleichen des gemessenen Werts, paßt den Arbeitszyklus des Stromstabilisatorschalters
3201 an und ändert die Zykluszeit der vom Ausgangsmodul
32 empfangenen Ausgangsspannung ab, um die Gesamtleistung des Ausgangsstroms konstant zu halten und die Effekte zum Beibehalten eines konstanten Stroms und die Reduktion der Amplitude der Welligkeit des Ausgangsstroms zu erzielen. Die tatsächlichen Prüfresultate sind in der untenstehenden Tabelle aufgeführt. Beträgt die WS-Spannung der externen Stromquelle 90–277 Volt (V) ist der Leistungsfaktor des Freilaufstromrichters 3 0,9 oder höher, wobei der gesamte Wirkungsgrad der Stromwandlung über 85% und der Spitzenstrom Vmax gerade 1,03 Mal des tatsächlich gemessenen Stroms Vrms betragen. Im Vergleich mit dem Stand der Technik, der eine Amplitude der Welligkeit aufweist, die 1,3–1,6 Mal größer ist, ist der Vmax des Spitzenstroms der vorliegenden Erfindung deutlich geringer, so dass mit der vorliegenden Erfindung der strobefreie Effekt erzielt wird.
| Vac (V) | Freq (Hz) | AC Iin (mA) | PF | Pin (W) | Vrms (V) | Vmax (V) | Größe | Voutrms (V) | Lichtplatte, Watt (W) | Leistung (%) |
| 90 | 60 | 160 | 0,987 | 14,37 | 254 | 263 | 1,035 | 48,2 | 12,2428 | 85,2% |
| 100 | 60 | 143 | 0,984 | 14,14 | 253 | 261 | 1,032 | 48 | 12,144 | 85,9% |
| 110 | 60 | 129 | 0,982 | 14,03 | 253 | 261 | 1,032 | 47,8 | 12,0934 | 86,2% |
| 120 | 60 | 118 | 0,98 | 13,91 | 253 | 262 | 1,036 | 47,8 | 12,0934 | 86,9% |
| 132 | 60 | 107 | 0,977 | 13,86 | 253 | 262 | 1,036 | 47,8 | 12,0934 | 87,3% |
| 150 | 60 | 94,6 | 0,969 | 13,8 | 253 | 262 | 1,036 | 47,7 | 12,0681 | 87,5% |
| 160 | 60 | 88,4 | 0,967 | 13,77 | 252 | 261 | 1,036 | 47,7 | 12,0204 | 87,3% |
| 170 | 60 | 83,2 | 0,967 | 13,74 | 252 | 261 | 1,036 | 47,7 | 12,0204 | 87,5% |
| 180 | 60 | 79 | 0,962 | 13,74 | 252 | 261 | 1,036 | 47,6 | 11,9952 | 87,3% |
| 190 | 60 | 75,4 | 0,954 | 13,73 | 252 | 261 | 1,036 | 47,6 | 11,9952 | 87,4% |
| 200 | 50 | 71,9 | 0,954 | 13,79 | 252 | 260 | 1,032 | 47,7 | 12,0204 | 87,2% |
| 210 | 50 | 69 | 0,947 | 13,78 | 252 | 261 | 1,036 | 47,7 | 12,0204 | 87,2% |
| 220 | 50 | 66,4 | 0,941 | 13,79 | 252 | 260 | 1,032 | 47,6 | 11,9952 | 87% |
| 230 | 50 | 64,1 | 0,932 | 13,78 | 252 | 260 | 1,032 | 47,6 | 11,9952 | 87% |
| 240 | 50 | 61,9 | 0,926 | 13,81 | 252 | 261 | 1,036 | 47,6 | 11,9952 | 86,9% |
| 250 | 50 | 60 | 0,918 | 13,82 | 252 | 261 | 1,036 | 47,6 | 11,9952 | 86,8% |
| 264 | 50 | 57,8 | 0,903 | 13,84 | 252 | 261 | 1,036 | 47,5 | 11,97 | 86,5% |
| | | | | | | | | | | 87,5% |
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Die vorliegende Erfindung betrifft somit einen Abwärts- und stromstabilisierenden Freilaufstromrichter auf sekundärer Seite, der mit einer zweistufigen isolierten Schaltungsstruktur funktioniert und einen konstanten Ausgangsstrom abgibt, um ein Energiespar-LED-Modul anzutreiben, wobei dessen erste Stufe mit einer Freilaufschaltungsstruktur mit einer primären geregelte Spannung funktioniert, während dessen zweite Stufe mit einer Abwärtsschaltungsstruktur des Stromstabilisators 32 funktioniert, so dass nach dem Umwandeln der konstanten Spannung mit der ersten Stufe der Stromstabilisator 32 den Belastungseffekt des Ausgangsstroms am LED-Modul 4 misst, um den Ausgangszyklus zu regeln und die Gesamtleistung des Ausgangsstroms konstant zu halten sowie die Amplitude der Welligkeit zu reduzieren, um ein stroboskopfreies Ausgangsresultat zu erzielen und den Beleuchtungseffekt des LED-Moduls 4 zu verbessern.
