Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Veränderung der Farbtemperatur und der Helligkeit
einer Beleuchtungsvorrichtung, welche zumindest zwei Leuchtdioden umfasst, die Licht
unterschiedlicher Farbtöne emittieren.
Ebenso betrifft die Erfindung eine Beleuchtungsvorrichtung mit einstellbarer Farbtemperatur
und Helligkeit.
Bei der Farbwahrnehmung/-empfindung handelt es sich um ein psychologisches Phänomen,
das bereits anhand zahlreicher Experimente gut erfasst ist. Es hat sich herausgestellt, dass
sich das Wohlbefinden einer Person in einem Raum durch geeignete Wahl der Beleuchtung
wesentlich steigern lässt.
Die Farbtemperatur gibt die durch einen leuchtenden Körper verursachte Farbempfindung
an. Sie ist die Temperatur, die ein schwarzer Strahler annehmen müsste, um die gleiche
Farbempfindung zu erzeugen.
Beleuchtungen, bei denen unterschiedliche Farbtemperaturen eingestellt werden können,
sind beispielsweise aus dem Bereich der Innenarchitektur - hier vor allem sogenannte
Dimmer - bekannt geworden.
In der DE 199 09 630 wird eine Vorrichtung der eingangs genannten Art vorgestellt. Bei
dieser Vorrichtung werden Leuchtmittel, beispielsweise Leuchtstoffröhren, unterschiedlicher
Farben, jedoch keines roter Farbe, sowie ein Diffusor zur Erzeugung von Licht unterschiedlicher
Farbtemperatur, zur Beleuchtung eines Raumes erzeugt, wobei die Einstellung
der gewünschten Farbtemperatur von einer eigens dafür vorgesehenen Lichtsteueranlage
vorgenommen wird.
Nachteilig an der vorgeschlagenen Lösung ist vor allem, dass man durch die geometrischen
Abmessungen des Diffusors und der verwendeten Leuchtstoffröhren in der Formgebung der
Beleuchtung stark eingeschränkt ist. Deshalb eignet sich die bekannte Beleuchtung beispielsweise
auch nicht als Tischbeleuchtung.
Eine weitere Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Licht variabler Farbtemperatur
ist in der DE 41 15 187 offenbart. Bei dem vorgestellten Verfahren kommt eine Vorrichtung
mit Leuchtstoffröhren zum Einsatz, die von Reflektoren umgeben sind, welche Seitenflächen
aufweisen, von denen eine konvex ausgebildet und rot ist, während eine andere
Seitenfläche goldfarben und plan ist und eine dritte Seitenfläche konkav und silberfarbig
ausgebildet ist. Die Leuchtstoffröhre emittiert ein Lichtspektrum, das demjenigen des Sonnenlichts
auf der Erde am Tag der Sommersonnenwende um die Mittagszeit entspricht. Je
nach Jahreszeiten werden zur Erzeugung einer günstigen Farbtemperatur in einer vorgebbaren
Reihenfolge die Reflektoren bestrahlt.
Nachteilig an der aus der DE 41 15 187 bekannt gewordenen Vorrichtung ist vor allem, dass
sie aufgrund der speziell ausgeführten Reflektoren teuer in der Herstellung und darüber
hinaus aufwendig zu installieren ist. Weiters ist die spektrale Bandbreite der einstellbaren
Farbtemperatur relativ gering.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Weg zu schaffen, der es ermöglicht auf eine
kostengünstige und einfache Weise die Farbtemperatur einer Lichtquelle über einen möglichst
großen Spektralbereich verändern zu können.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass
die Farbtemperatur von zumindest drei Leuchtdioden, die Licht unterschiedlicher Farbtöne
emittieren, über deren Speisespannung und/oder deren Speisestrom eingestellt wird.
Um eine größere Helligkeit zu erreichen, können gleichzeitig mehrere, den gleichen Farbton
emittierende Leuchtdioden betrieben werden.
In einer vorteilhaften Variante der Erfindung werden die Leuchtdioden einer Farbe parallel
betrieben.
Bevorzugter Weise werden die Speisespannungen und/oder -ströme von zumindest einem
steuer-/regelbaren Schaltnetzteil geliefert.
Eine in der Praxis bewährte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Farbtemperatur
über mehrere Schaltnetzteile eingestellt wird, wobei die Leuchtdioden, die den selben
Farbton emittieren über je ein gemeinsames Schaltnetzteil gesteuert werden.
Weitere Vorteile lassen sich dadurch schaffen, dass die Leuchtdioden in Form einer Matrix
angeordnet werden.
Ein besonders großer Bereich unterschiedlicher Farbtemperaturen lässt sich dadurch einstellen,
dass die Leuchtdioden rotes, grünes und blaues Licht emittieren.
Zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich insbesondere eine Beleuchtungsvorrichtung
der eingangs genannten Art, bei welcher zumindest zwei Leuchtdioden
vorgesehen sind, die Licht unterschiedlicher Farbtöne emittieren, wobei den zumindest zwei
Leuchtdioden zumindest ein steuer-/regelbares Schaltnetzteil, welches für jede der Leuchtdioden
eine einstellbare Ausgangsspannung und/oder Ausgangsstrom liefert, vorgeschaltet
ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Variante sieht vor, dass mehrere, den gleichen Farbton
emittierende Leuchtdioden vorgesehen sind.
Eine günstige Variante der Erfindung besteht darin, dass die gleicher Farbe Leuchtdioden
parallel geschaltet sind.
Praxisbewährter Weise sind mehrere Schaltnetzteile vorgesehen, wobei den Leuchtdioden,
die den selben Farbton emittieren, ein gemeinsames Schaltnetzteil zugeordnet ist.
Eine sehr günstige Variante der Erfindung sieht vor, dass die Leuchtdioden in Form einer
Matrix angeordnet sind.
Bevorzugter Weise sind die Leuchtdioden rot, grün und blau.
Die Erfindung samt weiteren Vorteilen ist in der Zeichnung anhand einiger nicht einschränkender
Ausführungsbeispiele dargestellt. In dieser zeigen schematisch:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Variante einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung, Fig. 2 ein Blockschaltbild einer zweiten Variante einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung
und Fig. 3 eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung mit einem matrixförmigen Beleuchtungsfeld.
Gemäß Fig. 1 weist eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung BEL für Leuchtdioden,
die den selben Farbton emittieren, je ein gemeinsames Schaltnetzteil STN1, STN2, STN3 auf,
dessen Ausgangsspannung UA1, UA2, UA3 bzw. Ausgangsstrom IA1, IA2, IA3 über eine Ansteuerung
AST, beispielsweise einen entsprechend eingerichteten Computer, geregelt werden
kann. Die Eingangsspannung UN des Schaltnetzteiles STN1-STN3 kann beispielsweise die
Netzspannung sein.
Die Leuchtdioden Db, Dg, Dr werden in Durchlassrichtung betrieben, dabei steigt ihre Helligkeit
mit ihrem Betriebsstrom an. Allerdings gibt es einen maximal zulässigen Strom, der
nicht wesentlich überschritten werden darf, da es sonst zu einer Zerstörung der Leuchtdioden
Db, Dg, Dr kommen kann. Je nach technologischer Ausführung der Leuchtdioden Db, Dg,
Dr können der maximale Betriebsstrom und die maximale Betriebsspannung von Typ zu Typ
wesentlich verschieden sein. Um den Betriebsstrom zu begrenzen ist jeder Leuchtdiode Db,
Dg, Dr ein Vorwiderstand Rv in Serie vorgeschaltet. Über das Schaltnetzteil kann die Ausgangsspannung
UA1, UA2, UA3 und/oder der Ausgangsstrom, IA1, IA2, IA3 die der jeweiligen
Speisesspannung bzw. dem jeweiligen Speisestrom der Leuchtdioden Db, Dg, Dr proportional
sind und somit die Helligkeit/Intensität der Leuchtdioden Db, Dg, Dr reguliert werden. Es hat
sich herausgestellt, dass sich eine besonders große spektrale Bandbreite der Farbtemperatur
einstellen lässt wenn die verwendeten Leuchtdioden Db, Dg, Dr die Farben rot, grün und
blau aufweisen. Die Leuchtdioden Db, Dg, Dr, die einer Farbe zugeordnet sind, können dabei
zu Blöcken zusammengefasst werden.
Eine weitere Möglichkeit die Farbtemperatur und die Helligkeit der Beleuchtungsvorrichtung
zu verändern, ist die Kombination der oben beschriebenen Speisespannungs/-strom-Einstellung
mit einer Pulsbreitenmodulation. Durch die Spannungs-/Stromänderung lässt
sich eine Änderung der Farbtemperatur und der Helligkeit (Intensität) des von der Beleuchtungsvorrichtung
emittierten Lichtes erzielen. Durch eine Pulsbreitenmodulation wird eine
Helligkeitsreduktion bei konstanter Farbtemperatur ermöglicht. Da die Durchführung einer
Pulsbreitenmodulation einem Fachmann wohl bekannt ist, soll an dieser Stelle nicht näher
darauf eingegangen werden.
Ausgangspunkt für die Wahrnehmung der Farbtemperatur sind die ihr zugrundeliegenden
physikalischen Farbreize, also diejenigen elektromagnetischen Strahlungen im Bereich
zwischen 380 und 780 nm, die in das Auge gelangen und dort spezielle Sinneszellen erregen,
so dass eine Farbempfindung entsteht. Ein Farbreiz kann auch als Punkt in einem unendlichdimensionalen
Raum aufgefasst werden, in dem jede Achse die Intensität einer bestimmten
Wellenlänge (beispielsweise in Photonen pro Sekunde) darstellt. Da sich unendlichdimensionale
Räume nur schwer darstellen lassen, werden Farbreize meist durch ihre
spektrale Strahlungsverteilung charakterisiert, die angibt, wie sich die Strahlungsleistung auf
die einzelnen Regionen des Spektrums verteilt.
Spezielle Rezeptoren auf der Retina des Auges absorbieren einen Teil der Farbreize, wodurch
eine chemische Reaktion ausgelöst wird, die im Zerfall von verschiedenen Arten von
Sehpurpur besteht und die anschließend in eine Nervenerregung umgesetzt wird. Dabei
bilden ein achromatischer und drei chromatische Mechanismen unterschiedlich gewichtete
Summen der Intensitäten bei den verschiedenen Wellenlängen, wobei nicht die gesamte
Information über die Intensitäten für alle Wellenlängen erhalten bleibt.
Durch Mischung der von den Leuchtdioden erzeugten Farbtöne und Intensitäten lässt sich
eine vorgebbare Farbtemperatur einstellen. Durch selektives Hinzu- oder Wegschalten von
Leuchtdioden Db, Dg, Dr einer Farbe bzw. durch Änderung der Helligkeit/Intensität kann die
von einer Person wahrgenommene Farbtemperatur geändert werden.
Nach Fig. 2 ist für alle Leuchtdioden Db, Dg, Dr ein gemeinsames Schaltnetzteil SNT4 vorgesehen,
welches zur Steuerung der Farbtemperatur getrennt regelbare Ausgänge aufweist, die
den Leuchtdioden Db, Dg, Dr einer Farbe zugeordnet sind, wie es in dargestellt ist. Als steuerbares
Schaltnetzteil SNT4 kann beispielsweise ein Mehrkanal-Dimmer verwendet werden.
Natürlich können die Leuchtdioden Db, Dg, Dr auch einzeln angesteuert werden, wobei für
jede Leuchtdiode Db, Dg, Dr ein Schaltnetzteil SNT4 vorgesehen sein kann.
Die Beleuchtungsvorrichtung BEL nach Fig. 3 weist ein Beleuchtungsfeld FEL auf, über
welches die Leuchtdioden Db, Dg, Dr in Form einer Matrix MAT angeordnet sind. Diese
Beleuchtungsvorrichtung BEL eignet sich besonders als Tisch- oder Schminkbeleuchtung.
Auch hier ist den Leuchtdioden Db, Dg, Dr, ein gemeinsames Schaltnetzteil SNT4 zugeordnet.
Die Anordnung von Leuchtdioden Db, Dg, Dr unterschiedlicher Farben kann beliebig erfolgen.
So können beispielsweise Leuchtdioden Db, Dg, Dr einer Farbe eine Zeile und/oder
Spalte der Matrix MAT bilden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Leuchtdioden Db,
Dg, Dr so anzuordnen, dass eine Leuchtdiode Db, Dg, Dr einer Farbe von andersfarbigen
Leuchtdioden Db, Dg, Dr umgeben ist.
Das farbliche Aussehen eines Reizes hängt sehr stark von den Beobachtungsbedingungen ab.
Einen wichtigen Faktor stellen dabei Kontexteffekte dar, die in dem Einfluss eines farbigen
Umfeldes auf die Farbe des Reizes bestehen. Mit Hilfe der Beleuchtungsvorrichtung BEL
können solche Kontexteffekte antizipiert werden, was beispielsweise bei einer Anwendung
als Schminklicht von großem Vorteil ist, da das Licht den Bedingungen angepasst werden
kann unter denen die Schminke am besten zur Geltung kommen soll.
Auch als Tischbeleuchtung für einen Arbeitsplatz lässt sich die Beleuchtungsvorrichtung
BEL mit großem Gewinn einsetzten. Ermüdungserscheinungen kann durch Veränderung
der Farbtemperatur vorgebeugt werden. Auch können gemäß den Ergebnissen der experimentellen
Psychologie Gemütsverfassungen durch die Farbtemperatur der Beleuchtung
beeinflusst werden. Weshalb sich die Beleuchtungsvorrichtung BEL auch für den therapeutischen
Einsatz sehr gut eignet.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung BEL erlaubt es, durch die Verwendung von
Licht unterschiedlicher Farben emittierender Leuchtdioden Db, Dg, Dr die Farbtemperatur
innerhalb einer großen spektralen Bandbreite zu verändern. Es ist ein weiteres Verdienst der
Erfindung, eine Beleuchtungsvorrichtung BEL zu schaffen, die eine im wesentlichen freie
Formgebung ermöglicht. Mit der Beleuchtungsvorrichtung BEL nach der Erfindung können
praktisch alle Arten von Beleuchtungen realisiert werden (Raumbeleuchtung, Tischbeleuchtung,
etc.).