DE4112110A1

DE4112110A1 - Beleuchtungsvorrichtung

Info

Publication number: DE4112110A1
Application number: DE4112110A
Authority: DE
Inventors: Gyoergy Dipl Ing Czibula
Original assignee: PRC KROCHMANN GmbH
Current assignee: PRC KROCHMANN GmbH
Priority date: 1991-04-10
Filing date: 1991-04-10
Publication date: 1992-10-15

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Bei der künstlichen Beleuchtung von Innenräumen besteht vielfach das Problem, daß Überlagerungen verschiedener Lichtquellen entstehen und insbesondere Mischlicht mit Ta geslicht auftritt, wobei das Tageslicht mit der Tageszeit wechselt. Nun schreiben die für Arbeitsstatten gültigen Normen aber bestimmte Beleuchtungsstärken vor. Zwar be steht generell die Möglichkeit, jedem Arbeitsplatz oder sonstigem zu beleuchtenden Feld eine oder mehrere Licht quellen mit festen geometrischen Bedingungen zuzuordnen und die Lichtquellen hinreichend häufig auszuwechseln, um Änderungen des Lichtstromes durch Alterung nicht in Erscheinung treten zu lassen.

Eine derartige Vorgehensweise erfordert aber einerseits ausschließlich künstlich beleuchtete Innenräume, was aus Gründen des Arbeitsklimas heutzutage nicht mehr erwünscht ist, und ist andererseits unökonomisch, da die Lebensdauer der Leuchtmittel nicht vollständig ausgenutzt werden kann.

Es sind zwar bereits verschiedene Lichtquellen bekannt, welche sich in ihrer Helligkeit Umgebungsbedingungen an passen. Die entsprechende Regelung erfolgt aber gewöhnlich so, daß eine Anpassung an die Umgebungshelligkeit in der Weise erfolgt, daß die Lichtquelle gleichsinnig gesteuert wird, um unnötige Kontraste zu vermeiden. Das trifft bei spielsweise auf selbstleuchtende Anzeigevorrichtungen zu.

Bei den Vorrichtungen, bei denen die Steuerung gegensinnig erfolgt, wurden bisher nur ungerichtet und nicht selektiv wirkende Photowiderstande benutzt, welche in keiner Weise sicherstellen, daß die Beleuchtungsstärke innerhalb eines Beleuchtungsbereichs für den menschlichen Betrachter hin reichend konstant bleibt, da bei der Verwendung eines nicht selektiv wirkenden Photoempfängers das einwirkende Fremdlicht nur unvorhersagbare Auswirkungen haben kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Be leuchtungsvorrichtung der eingangs genannten Gattung die Möglichkeit zu schaffen, daß die Beleuchtungsbedingungen im Bereich einer oder mehrerer Leuchteinheiten stets gewünschten voreinstellbaren Bedingungen entsprechen.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß nur die Ver wendung einer Photoempfängers, der in seinen Hellempfind lichkeitseigenschaften dem menschlichem Auge entspricht und der ausschließlich auf den von der regelbaren Beleuch tungsvorrichtung zu bestrahlenden Bereich gerichtet ist, geeignet ist, auch bei beliebigen Fremdlichteinwirkungen (welche eine geringere als die gewünschte Beleuchtungs stärke hervorrufen) eine als gleichbleibend empfundene Be leuchtungstärke hervorzurufen. Dabei werden erstmals auch die Fremdlichtanteile entsprechend ihrer physiologischen Wirkung anteilig korrekt in Rechnung gestellt, während bisher solche Fremdlichtanteile, welche auf den Photoemp fänger eine größere Auswirkung hatten als auf das mensch liche Auge eine fehlerhafte Regelung bewirkten.

Da ein Si-Photoelement einen Verlauf der relativen spek tralen Empfindlichkeit aufweist, der den entsprechenden Verlauf des menschlichen Sehvermögens überdeckt, d. h. im wesentlichen vollständig einschließt, gelingt es durch das Vorschalten von einem oder mehreren geeigneten Filtern, dem Photoempfänger ein Empfindlichkeitsverhalten zu geben, das demjenigen des menschlichen Sehvermögens entspricht.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung werden wegen des auf die ermittelte Leuchtdichte ansprechenden Photoempfängers erstmals auch Veränderungen der Arbeitsfläche selbst berücksichtigt. Ist also die einzustellende Beleuchtungs stärke auf eine bestimmte Tönung der zu beleuchtenden Flä che bezogen, so wird bei deren Veränderung die Beleuch tungsstärke entsprechend kompensiert. So kann beispiels weise in einem Design- oder Konstruktionsbüro eine unange nehme Blendung des Benutzers bei Verwendung hell weißer Zeichenbögen im Gegensatz zu getönten Arbeitsbögen vermie den werden. Bei Bildschirmarbeitsplätzen läßt sich eine gleichmäßige auf die Bildschirmhelligkeit abgestimmte Um feldbeleuchtung - unabhängig von sich verändernden Dritt lichtquellen - erreichen, wobei allerdings die Bildschirm fläche selbst (schon zur Vermeidung von Reflexionen) nicht direkt von der zu regelnden Lichtquelle bestrahlt wird.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird wegen des damit erzielbaren Verlaufs der Kennlinie das Si- Photoelement im Kurzschluß betrieben.

Um mögliche Inhomogenitäten der Oberfläche des Photo elements möglichst zu kompensieren, ist bevorzugterweise eine zusätzliche Streuscheibe im Lichtweg des Photoempfän gers vorgesehen.

Für eine hohe Präzision der physiologischen Regelung der Lichtquelle ist ist das Durchlaßverhalten des Farbfilters unter Berücksichtigung der spektralen Empfindlichkeit des Si-Photoelements dem Verlauf des v(λ)-Hellempfindlich keitsgrads mit einer maximalen Abweichung im Bereich von 2 bis 3% angepaßt ist.

Bei einem energiesparenden Konzept ist bevorzugt für die Beleuchtungsvorrichtung eine Leuchtstoffröhre vorgesehen, die eine entsprechende vorgeschaltete Regelstufe zur Be einflussung der abgebenen Lichtleistung aufweist.

Bei der Ausführung als Niedervolt(halogen)leuchte ist der Lichtregler bevorzugt an der Sekundärseite des notwendigen Vorschalttrafos angeordnet. Damit ist einer Zusammenfas sung aller Bauelemente der regelbaren Leuchteinheit in ei ner kompakten Baugruppe möglich. Der Anschluß erfolgt ent sprechend einer üblichen Netzleuchte über einen Schalter an das Stromnetz, ohne daß zusätzliche externe Verdrahtun gen notwendig wären.

Zur Beschränkung des Lichteinfallswinkels ist der Photo empfänger mit einem den Lichteinfallswinkel begrenzenden Tubus versehen, welcher insbesondere bezüglich seiner wirksamen Länge und/oder seiner Richtung verstellbar aus gebildet ist. Auf diese Weise kann der für die Lichtlei stungsregelung wirksame Erfassungsbereich ohne Schwierig keiten den jeweiligen Anforderungen angepaßt werden. Dabei erfolgt die Verstellung des Tubus bevorzugt mittels eines Innengewindes oder durch Verschieben in axialer Richtung. Zum Fixieren ist der Tubus dabei mit einer Arretierung versehen, die insbesondere aus einer Klemmschraube be steht.

Zur Erzielung einer besonders kompakten Ausführung sind Leuchte, Photoempfänger und Regelvorrichtung in einer ge meinsamen Baueinheit zusammengefaßt.

Um eine naturgetreue Farbwiedergabe am Arbeitsplatz zu er reichen, ist folgende Variante besonders günstig: für ver schiedene Farbanteile sind getrennte Beleuchtungseinheiten vorgesehen, welche für ein gemeinsames Beleuchtungsfeld dem menschlichen Betrachter weiß erscheinendes Licht er zeugen, wobei die Farbfilter der Photoelemente jeweils dem spektralen Bereich der zugeordneten Beleuchtungseinheit entsprechen und sich die Filter zu einem dem Verlauf der v(λ)-Helligkeitsempfindlichkeit entsprechenden Durchlaß verhalten ergänzen. Die einzelnen Farbanteile sind hierbei insbesondere rot, grün und blau, so daß nach den Gesetzen der additiven Lichtmischung das sich ergebende Farbdreieck ausreichend ist, um eine gefärbte Fremdlichtquelle für den vorgesehenen Beleuchtungsbereich in Farbe und Intensität zu weißem Licht zu kompensieren.

Eine derartige farbneutrale Beleuchtung ist besonders wichtig an Orten, bei denen eine neutrale Farbbegutach tung unter ausreichenden Lichtverhältnissen erfolgen, wo bei Tageslicht aber nicht ausgeschlossen sein soll. Das ist beispielsweise insbesondere dort der Fall, wo Gegen stände farblich aufeinander abgestimmt werden sollen, wie bei der Auswahl von Kleidungsstücken in Kaufhäusern.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zu sammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Leuchteinheit,

Fig. 2 die elektrische Beschaltung des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 als Blockschaltung sowie

Fig. 3 einen Photoempfänger als Detail des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Leuchteinheit 1 ist in einem Gehäuse 2 mit einem Reflektor 3 eine Leuchtstoffröh re 4 als Lichtquelle vorgesehen. Der Reflektor 3 begrenzt den Lichtkegel 5 auf den mit strichpunktierten Linien ge kennzeichneten Bereich, der eine in der Zeichnung als ho rizontale durchgehende Linie 6 dargestellte Arbeitsfläche ausleuchtet. Die von der Leuchtstoffröhre 3 abgegebene elektrische Lichtleistung trifft auf die Arbeitsfläche 6, die mit einer entsprechenden Beleuchtungsstärke ange strahlt wird. Von der Arbeitsfläche wird ein Teil des Lichts reflektiert, welches zum Betrachter gelangt.

Weiterhin trifft noch ein (störender) Fremdlichtanteil auf die Fläche 6 auf, welcher zur Leuchteinheit 1 hin durch die strichpunktierte Linie 7 begrenzt wird.

Ein Photoempfänger 8 ist in einem durch einen mit strich punktierten Linien 9 begrenzten Bereich für das von der Arbeitsfläche 6 reflektierte Licht empfindlich. Sein Aus gangssignal bildet ein Maß für die in seinem Empfindlich keitsbereich vorhandene Leuchtdichte.

Die dargestellte Leuchteinheit stellt somit eine in ihrer Lichtstärke regelbare Beleuchtungsvorrichtung dar mit dem Photoempfänger 8 und einer in Abhängigkeit von der vom Photoempfänger aufgenommenen Leuchtdichte veränderbaren Lichtleistung, wobei der Photoempfänger durch ein Si- Photoelement gebildet wird, dessen Kurzschlußstrom im we sentlichen linear von der Beleuchtungsstärke abhängt.

Der - weiter unten näher beschriebene - Photoempfänger 8 ist auf einen nach Ausdehnung und/oder Richtung variablen Bereich innerhalb des durch den Lichtkegel 5 begrenzten Beleuchtungsfeldes auf der Arbeitsfläche 6 der Beleuch tungsvorrichtung ausrichtbar und es ist eine Regelvor richtung 10 vorgehen, welche die von der Leuchteinheit 1 abgebene Lichtmenge so einstellt, daß der vom Photoempfän ger 8 abgegebene, von der erfaßten Leuchtdichte abhängige, Strom im wesentlichen konstant ist. Es ist aus der Fig. 1 ersichtlich, daß die Leuchtstoffröhre 4, der Photoempfän ger 8 und Regelvorrichtung 10 zu einer gemeinsamen Bauein heit zusammengefaßt sind, welche insgesamt als Leuchte über Arbeitsplätzen und dergleichen montierbar ist.

Die Regelvorrichtung 10 ist an die vorgesehene Lichtquelle angepaßt, wobei gewöhnlich Phasenanschnittsteuerungen (Dimmer) Verwendung finden, welche gegebenenfalls an die besonderen Eigenschaften der Lichtquelle (Gasentladungs leuchte, Niedervoltlampe) angepaßt sind.

Mittels der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung ist es nunmehr möglich, die Leuchtdichte im Beleuchtungsbe reich der Leuchteinheit 1 nahezu unabhängig von dem Fremd lichtanteil 7 zu halten.

Der Photempfänger 8 ist dabei so ausgerichtet, daß sein Empfindlichkeitsbereich insbesondere in einem mittleren Bereich des Reflektors 3 der Leuchte angeordnet und/oder auf einen mittleren Bereich von deren Beleuchtungsfeldes gerichtet ist.

Bei anderen in der Zeichnung nicht dargestellten bevorzug ten Ausführungsformen ist anstelle der Leuchstoffröhre 4 eine Niedervolthalogenglühlampe mit entsprechendem Reflek tor vorgesehen. Hierbei wird die Spannung an der Nieder spannungsseite eines entsprechenden Vorschalttrafos gere gelt. Ein Ein-Aus-Schalter für die Leuchte kann dabei in üblicher Weise auf der Primärseite des Transformators vor gesehen sein. Die Stromversorgung für die elektronischen Bauelemente der Regelschaltung ist wiederum an der Nieder voltseite des Vorschalttrafos vorgesehen.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführung, bei der trotz farbverfälschenden Fremdlichts eine farbgetreue Arbeits platzbeleuchtung erzielbar ist, wird die Anordnung gemäß Fig. 1 für die kompensierende additive Lichtmischung ver schiedener Farbanteile entsprechend mehrfach vorgesehen. Dabei sind für verschiedene Farbanteile getrennte Beleuch tungseinheiten vorhanden, welche für ein gemeinsames Be leuchtungsfeld dem menschlichen Betrachter weiß erschei nendes Licht erzeugen, wobei die Lichtquellen und die Farbfilter der Photoelemente jeweils dem für die jewei lige Beleuchtungseinheit vorgesehenen spektralen Bereich entsprechend ausgestaltet sind. Die verschiedenen spektra len Bereiche ergänzen sich zu einem dem Verlauf der v(λ)-Helligkeitsempfindlichkeit entsprechenden Durchlaß verhalten. Die Farbanteile können dabei (entsprechend bei spielsweise der Lichtmischung beim Fernsehbild) aus den Farben rot, grün und blau bestehen.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Blockschaltbild einer Re gelvorrichtung 10 gemäß Fig. 1 ist ersichtlich, daß das Si-Photoelement 11 seine Spannung auf den invertierenden Eingang eines einen Stromgegenkopplung aufweisenden Opera tionsverstärkers 12 abgibt.

Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 12 ent spricht dabei dem Produkt des ohmschen Widerstandswertes des veränderbaren Widerstands 13 und dem bei der betref fenden Belichtung des Photoelements auftretenden Ausgangs stroms. Der Eingang des Operationsverstärkers liegt dabei auf dem (virtuellen) Nullpunkt, so daß das Si-Photoelement praktisch im Kurzschluß betrieben wird. Bei einem derarti gen Arbeitspunkt weist es eine nahezu lineare Charakteri stik auf. Die Empfindlichkeit des Photoempfängers ist über den Widerstand 13 einstellbar.

Dem Operationsverstärker ist eine Phasenanschnittschaltung 14 nachgeschaltet, welche die der Leuchtstoffröhre 4 zugeführte elektrische Leistung in Abhängigkeit von der Aus gangsspannung des Operationsverstärkers 13 verändert. Die Regelung erfolgt invers, so daß die elektrische Leistung mit zunehmender Ausgangsspannung des Photoelements ab nimmt. Bei einer vorgegebenen Dimensionierung wird sich (eine entsprechende Verstärkung im Regelkreis vorausge setzt) auf der Arbeitsfläche 6 (in Fig. 1) eine bestimmte Leuchtdichte einstellen, die weitgehend unabhängig von einfallendem Fremdlicht konstant gehalten wird.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Schnittdarstellung des Photoempfängers 8 ist das Si-Photoelement 11 in einem Hal teröhrchen 12 mit schwarzem Epoxidharz befestigt, aus dem die elektrischen Anschlußdrähte 16 und 17 nach (in der Zeichnung) oben herausgeführt sind.

In den Lichtweg des Photoelements 11 ist ein, insbesondere mehrschichtiges, Farbfilter 18 eingefügt ist, dessen Durch laßverhalten zusammen mit der relativen spektralen Emp findlichkeit des Photoempfängers 8 ein dem Verlauf der V(λ)-Hellempfindlichkeitsgrads entsprechenden Empfindlich keitsverhalten ergibt, dessen relative Bewertung der spek tralen Lichtanteile derjenigen des menschlichen Sehvermö gens entspricht.

Im Lichtweg ist weiterhin eine zusätzliche Streuschei be 19 vorgesehen, welche eine Integration der Lichtvertei lung über die lichtempfindliche Fläche des Photoelements 11 bewirkt.

Das Durchlaßverhalten des Farbfilters ist unter Berücksichtigung der Empfindlichkeit des Si-photoelements selbst dem Verlauf des v(λ)-Hellempfindlichkeitsgrads mit einer maximalen Abweichung im Bereich von 2 bis 3% angepaßt.

Der spektrale Verlauf des v(λ)-Hellempfindlichkeitsgrads ergibt sich aus der nachfolgend wiedergegebenen Tabelle:

Wellenlänge (nm)
spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)
420
0,004
440	0,023
460	0,600
480	0,139
500	0,323
507	0,444
520	0,710
540	0,954
555	1,000
560	0,995
580	0,870
600	0,631
620	0,381
640	0,175
660	0,061
680	0,017
700	0,004
720	0,001

Zur scharfen Begrenzung des vom Photoempfänger erfaßten Bereichs ist ein auf dem Halteröhrchen 15 ein verschieb barer, an seiner Innenseite geschwärzter, Tubus 16 vorge sehen. Der in seinen unterschiedlichen - mehr oder weniger vorangeschobenen - Stellungen eine Veränderung des Erfas sungswinkels zuläßt. (Dieser Winkel ist in Fig. 1 be grenzt durch die die strichpunktierten Linien 9 darge stellt.) Zusätzlich ist der Photoempfänger 8 mittels einer nicht näher dargestellten kugelgelenkartigen Vorrichtung auch noch in der Erfassungsrichtung einstellbar.

Die Verstellung des Tubus erfolgt mittels eines Innenge windes oder durch geradliniges Verschieben in axialer Richtung. Dabei ist der Tubus mit einer Arretierung verse hen, die insbesondere aus einer Klemmschraube besteht.

Auf diese Weise kann der Erfassungsbereich auf einen cha rakteristischen Teil der zu beobachtenden Fläche ausge richtet werden.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims

1. In ihrer Lichtstärke regelbare Beleuchtungsvorrich tung mit einem Photoempfänger und einer in Abhängigkeit von der vom Photoempfänger aufgenommenen Leuchtdichte ver änderbaren Lichtleistung, insbesondere als nicht einzige Lichtquelle zur Arbeitsfeldbeleuchtung, dadurch gekennzeichnet,
daß der Photoempfänger (8) durch ein Si-Photoelement (11) gebildet wird,
daß in den Lichtweg des Photoempfängers ein, insbesondere mehrschichtiges, Farbfilter (18) eingefügt ist, dessen Durchlaßverhalten zusammen mit der relativen spektralen Empfindlichkeit des Photoempfängers ein dem Verlauf der V(λ)-Hellempfindlichkeitsgrads entsprechenden Empfindlich keitsverhalten ergibt, so daß die relative Bewertung der spektralen Lichtanteile derjenigen des menschlichen Seh vermögens entspricht,
daß der Photoempfänger auf einen nach Ausdehnung und/oder Richtung variablen Bereich innerhalb des Beleuchtungsfel des der Beleuchtungsvorrichtung ausrichtbar ist und
daß eine Regelvorrichtung (10) vorgesehen ist, welche die von der Beleuchtungsvorrichtung abgebene Lichtmenge so einstellt, daß der vom Photoempfänger abgegebene, von der erfaßten Leuchtdichte abhängige, Strom im wesentlichen konstant ist.

2. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß das Si- Photoelement (11) mit einem sehr kleinen Belastungswider stand betrieben wird bzw. diesem ein Stromverstärker (12) mit sehr kleinem Eingangswiderstand nachgeschaltet ist.

3. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Streuscheibe (19) im Lichtweg des Photoempfängers vorgesehen ist.

4. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchlaßverhalten des Farbfilters (18) dem Verlauf des v(λ)-Hellempfindlichkeitsgrads mit einer maximalen Ab weichung im Bereich von 2 bis 3% angepaßt ist.

5. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle eine Leuchtstoffröhre (4) vorgesehen ist.

6. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle eine Halogen-Niedervoltglühlampe vor gesehen ist.

7. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Photoempfänger mit einem den Lichteinfallswinkel begrenzenden Tubus (20) versehen ist.

8. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 8, da durch gekennzeichnet, daß die wirksame Länge und/oder die Richtung des Tubus (20) verstellbar sind.

9. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 9, da durch gekennzeichnet, daß die Verstel lung des Tubus (20) mittels eines Innengewindes oder durch direktes Verschieben in axialer Richtung erfolgt.

10. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Tubus (20) mit einer Arretierung versehen ist, die insbesondere eine Klemmschraube aufweist.

11. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Lichtquelle (4), der Photoempfänger (8) und die Regel vorrichtung (10) eine gemeinsame Baueinheit bilden.

12. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Photempfänger (8) in einem mittleren Bereich der Lichtquelle (4) angebracht und/oder auf einen mittleren Bereich des Beleuchtungsfeldes gerichtet ist.

13. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für verschiedene Farbanteile getrennte Lichtquellen vorgesehen sind, welche für ein gemeinsames Beleuchtungs feld dem menschlichen Betrachter weiß erscheinendes Licht erzeugen, wobei die Farbfilter der Photoelemente jeweils dem spektralen Bereich der zugeordneten Beleuchtungsein heit entsprechen und sich die Filter zu einem dem Verlauf der v(λ)-Helligkeitsempfindlichkeit entsprechenden Durch laßverhalten ergänzen.

14. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 13, da durch gekennzeichnet, daß die ver schiedenen Farbanteile rot, grün und blau enthalten.