EP2365734A2 - Verfahren zum Betrieb einer LED-Anordnung - Google Patents

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EP2365734A2
EP2365734A2 EP11157797A EP11157797A EP2365734A2 EP 2365734 A2 EP2365734 A2 EP 2365734A2 EP 11157797 A EP11157797 A EP 11157797A EP 11157797 A EP11157797 A EP 11157797A EP 2365734 A2 EP2365734 A2 EP 2365734A2
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EP
European Patent Office
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led
leds
operating
current
arrangement according
Prior art date
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EP11157797A
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EP2365734A3 (de
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Christina Obenaus
Thomas Obenaus
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Individual
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/40—Details of LED load circuits
    • H05B45/44—Details of LED load circuits with an active control inside an LED matrix
    • H05B45/46—Details of LED load circuits with an active control inside an LED matrix having LEDs disposed in parallel lines
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09G—ARRANGEMENTS OR CIRCUITS FOR CONTROL OF INDICATING DEVICES USING STATIC MEANS TO PRESENT VARIABLE INFORMATION
    • G09G2360/00—Aspects of the architecture of display systems
    • G09G2360/14—Detecting light within display terminals, e.g. using a single or a plurality of photosensors
    • G09G2360/144—Detecting light within display terminals, e.g. using a single or a plurality of photosensors the light being ambient light

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an LED arrangement for illumination, backlighting, irradiation or signaling, which comprises at least one light-emitting diode which is operated with switched direct current.
  • LED Light emitting diodes
  • the progressive improvement of the parameters of these components has meant that with the use of these components significant improvements in terms of energy consumption and the luminous efficacy of such arrangements and lighting units with integrated arrangements compared to the use of incandescent and fluorescent lamps as illuminants result.
  • Light-emitting diodes as a component are offered in various designs. In the classical sense, they include the pn diode with its connection pair. Increasingly, a plurality of pn-type semiconductor diodes are integrated in a compact module with housing, wherein the diodes of the module have either a common or a number of separate terminal pairs.
  • the LEDs contemplated herein include various configurations including one or more pn-type semiconductor diodes, but only one pair of terminals. However, it remains unavoidable to group together several such LEDs, ie to connect them in parallel or in series, so that they work like an LED. Similarly, it is incidental whether and in what way the LED is housed.
  • the operating power of such LEDs is mainly provided by power supplies which convert the mains voltage to a DC voltage conducive to LEDs, or other DC power sources, e.g. Batteries.
  • LEDs are current controlled devices, they must be operated via a current limiting element, a power source, to avoid destruction by excessive current in the event of too low internal resistance of the power supply or battery.
  • resistors or power sources based on semiconductors are used.
  • circuits which include a series and / or parallel connection of the LEDs. Dimming the arrangement is possible by means of control by means of pulse width modulation, the dimming being understood as the modification of the illumination intensity of the LED by changing the pulse / pause ratio of the voltage pulses or their chronological sequence.
  • the manufacturers usually specify the operating parameters for two different modes of operation, the continuous current for the operating current and for pulse mode the pulse operating current, which is slightly higher than the operating current.
  • the duty cycle ie the ratio of the widths of the two voltage states changing in one cycle
  • a constant clock frequency so that linearly stepless brightness values can be set.
  • a flicker is avoided by setting such a fundamental frequency at which the human eye no longer perceives the individual switching states.
  • This technique is used in particular for the backlighting of displays, eg in mobile phones or cockpit displays, in which a high illuminance is not required and not desired.
  • the LED is driven by voltage pulses, whereby the pulses are modified in particular in their chronological sequence in order to vary the illuminance of the LED.
  • This is done, for example, by means of a pulse width control for generating pulse trains with at least 100 Hz, which allows the individual emitted from the LED light pulses are not perceived as individual flashes, but as a uniform light.
  • the value of the illuminance also includes the brightness sensitivity of the human eye and thus represents not only a photometric but also a physiological size. The illuminance is thus also a measure of the perceived by humans brightness of the arrangement.
  • illuminance is a key factor in lighting technology and is used as a verification criterion in the computer-aided planning of indoor and outdoor lighting systems.
  • This check of whether a luminaire or a luminaire also reaches the planned values in a specific environment is measured by means of a lux meter.
  • Lux meters contain optical and electronic filters as well as components which suppress the change of the measured values in short time intervals in order to obtain stable measured values, which can also be displayed and also read. Such filters are used for. B. to adjust the detection range of the Luxmeters on certain light sources or only to hide certain frequency ranges of sunlight. Other filters are for certain color temperature ranges used or even to simulate the sensitivity of the human eye for certain spectral colors.
  • the luminous flux describes the amount of light emitted by a light source in a spherical space surrounding the light source as a whole without consideration of the emission angle.
  • the beam angle has an influence on the surface.
  • the luminous flux in lumens is specified by the LED manufacturers in the data sheet.
  • LEDs that contain a plurality of LED chips with different luminous color in a housing, it is also possible, with appropriate individual control of these chips, the resulting mixed luminous color of the LEDs to adapt to the requirements.
  • the invention is therefore based on the object to provide a method for operating an LED array for lighting and also for backlighting, irradiation and signaling or other comparable applications available, which allows a reduction in power consumption of the LED array with undiminished brightness as possible.
  • a method for operating an LED arrangement in which the LEDs of the LED arrangement, via a switching element associated with each LED, have a current source which serves to supply each LED with the constant current predetermined for it during a switch-on state connected and disconnected during a subsequent off state.
  • a clock frequency of an on and off state is set greater than 100 Hz, wherein in the case of two or more LEDs in the LED array whose switching elements are controlled by a control circuit with a uniform clock frequency of an on and off state greater than 100 Hz such in that only a part of the LEDs is always switched on and other LEDs are switched on in two successive switch-on states.
  • such a clock frequency of an A is by means of a control circuit - and off state greater than 100 Hz set that the illuminance in the clocked operation of that in the untimed operation, ie in continuous operation with the predetermined for the LED characteristic operating current, with the predetermined for the LED characteristic operating current by at most 5% deviates.
  • the deviation should be at most 2%, most preferably at most 1%.
  • an LED array with one or more LEDs with the method according to the invention applicable for different purposes achieves in particular an increase in energy efficiency, lifetime and reliability of the LED array with the same or at least almost the same perceived illuminance compared to the continuous operation of a same Number of LEDs of the same type and with the same operating parameters.
  • the perceived Illuminance of the LED array of the invention corresponds to a conventional LED array in continuous operation, the energy efficiency is significantly increased as set out below.
  • the individual LEDs or LED groups of the LED arrangement are only in the on state for a short time, so that, in addition, a longer service life of the individual LEDs results. Because as you know, the life of an LED depends on the time in which it is in operation. The theoretical life of the LED array thus results from the multiplication of the lifetime of the individual LEDs, depending on the number of simultaneously operated LEDs.
  • Another effect of the method according to the invention is the increase in the reliability of the LED arrangement. Since each LED or possibly each LED group are operated via a separate switching element, the LED arrangement continues to operate in the event of a failure of only one LED. A short over The failed LED, which can also lead to a failure of the power source is prevented by the regular shutdown of the defective LED by the switching element.
  • the assignment of switching elements to the individual LEDs improves the reliability of the LED array. Failures of LEDs, switching elements or circuit parts of the LED array lead due to their lack in the course of the clock only to a more or less noticeable reduction in the illuminance, not the total failure of the LED assembly. A failure of the LED array occurs only if the power source or the control circuit fails. In order to ensure the reliability even with multiple errors, ie the simultaneous failure of an LED and its associated switching element, such higher reliability components can be used or constructed redundantly, which serve the power supply or as a flow control of the LEDs via the switching elements.
  • Reliability also affects the heat balance of the LED array.
  • the inventive type of driving of the LEDs and the resulting operation with the parameters specified by the LED manufacturer results in a very low heating of the arrangement, since the lower self-heating can be dissipated in any case to the environment.
  • the reduced temperature load also reduces aging processes and a concomitant lowering of the light output of the LEDs.
  • the method according to the invention is suitable for LED arrangements in various applications. It allows, for example, to illuminate the environment for people in closed and open, eg street spaces, so that an increase in the luminous efficacy as a ratio of the luminous flux received by the LED array electrical power, in particular as a result Reduction of power consumption is possible. Due to the significantly lower energy requirement of the LED arrangement resulting from the constantly recurring switch-off states, a significantly higher light yield results, and this at almost the same illuminance compared to the prior art.
  • the luminous efficacy of a light source is the ratio of the luminous flux to the recorded electrical power (1m / W). It is a measure of the energy efficiency of the light source.
  • the one or more LEDs of the LED array are operated discontinuously, whereby the conditions of the human eye and the brain are exploited with regard to the perceived illuminance, in order to increase the luminous efficacy and, associated therewith, the energy efficiency, in order to reduce this To achieve power consumption through the LED arrangement.
  • the human eye is sluggish in its perception of brightness differences. This means that brightness differences are no longer perceived when they occur with a correspondingly high repetition frequency.
  • abrupt transitions between off and on state in the eye produce a significantly higher brightness impression. The latter is known as the flash effect. If the clocked operation with steep pulse edges, such as in flash applications, the brightness impression can be increased by the abrupt brightness changes.
  • the LEDs provide light sources that allow such operation due to their ability to be quickly turned on and off.
  • the lower limit of the frequency range of about 100 Hz is the one from which the human eye the discontinuous operation no longer perceives as such, ie no flicker is detected.
  • the light flash effect can be used to increase the brightness impression.
  • the upper limit of the frequency range is given by the avoidance of electromagnetic interference by alternating fields, known as EMC.
  • Limits in the execution of this mode of operation of the LED array with regard to the maximum number of LEDs to be controlled are, inter alia, the dissipation of the heat loss of the respective LED array and the switching times of the LEDs used and other components of the LED array.
  • the LED arrangement can also be operated with pulse operating current.
  • an operating current which is higher than the characteristic continuous operating current specified by the manufacturer can be fed in via the current source. Therefore, for example, the pulse current guaranteed by the manufacturer can be used for this embodiment variant.
  • the prerequisite for this is that the dynamic power loss of the LEDs and other components is not exceeded.
  • Dynamic power dissipation includes, for example, the on-off ratio and the environmental parameters as well as the parameters of the component housing used with regard to the thermal behavior.
  • This mode of operation leads to a further increase in the brightness due to the higher operating current and also to a brighter flash of light when switching on, whereby the above-described physiological flash effect is enhanced and a higher light output can be achieved.
  • the manufacturers usually specify the operating parameters for two different modes of operation, the operating current for continuous operation and the pulse operating current for pulsed operation, which is slightly higher than the operating current. That
  • the operating parameters specified by the manufacturer of LEDs, in particular the operating current, are specified for pulse operation and continuous operation.
  • the life of an LED depends due to the depletion of the semiconductor material, the aging of the diode chip and the phosphor white LEDs, as well as due to material migration processes in the LED structure, significantly on the duty cycle of the LED, the amount of operating currents and thus indicated heating of the semiconductor material as well as the environmental conditions during operation, both mainly determines the operating temperature.
  • the method of the present invention which is applicable to both intermittent and pulsed operation of an LED, has a positive effect on the life expectancy of the LEDs of the LED array.
  • the reduced duty cycle of the light source in the operation of the invention leads to a lower heating of the LED.
  • the heat can be released in the off states to the environment. With good heat dissipation can therefore also be used with an increased operating current and thus with improved utilization of the effects mentioned with a higher light output.
  • a white LED comparable but also a colored LED, by utilizing the additive color mixture and using at least one colored or UV LED in conjunction with a photoluminescent material as a phosphor, usually phosphor realized.
  • the afterglow duration and the decay behavior of the excited phosphor also play a role in the brightness impression of the LED arrangement.
  • LEDs with phosphorescent phosphors e.g. With persistence times of 10 to 20 ms, this effect can be even more pronounced compared to the usual persistence times of currently 1 to 2 ms.
  • LEDs are current controlled devices, they must be powered by a power source to avoid destruction by excessive current flow, such as may occur with a voltage source such as by reducing the internal resistance of the power supply or battery.
  • the implementation of the clocked operation according to the invention is carried out with a switching element, which is associated with the LED and by short switching times with a control steep pulse edges allowed. This can on the one hand realized a high clock frequency and on the other hand, the switching losses are kept low.
  • the LED arrangement in one embodiment comprises a control unit which adapts internal parameters to external parameters or vice versa.
  • integrated brightness sensors may enable or disable the LED array depending on the ambient brightness and reduce the operating current provided by the power source.
  • the described method initially serves for an LED arrangement in normal operation, it also allows the combination with the dimming of the LED arrangement by means of the control unit in accordance with a method embodiment.
  • the power source for the LEDs is controlled so that the removable current is changed and the brightness of the LEDs is reduced.
  • the pulse width modulation or the reduction of the clock frequency can be used for dimming.
  • a motion detector or presence detector can be integrated, which causes an automatic shutdown of an unneeded LED arrangement when no person is in the immediate vicinity or a reduction in the brightness in the event that the LED assembly is integrated into an emergency lighting system , which is operated by means of a backup battery.
  • a system for temperature ie setting a preferred temperature by water cooling, ventilation or possibly also heating can be activated.
  • an increase in the LED temperature causes a reduction in the luminous efficacy, if the lower guaranteed operating temperature of the components is not undershot becomes.
  • the LEDs can be influenced as light sources of the LED arrangement via this control unit.
  • the control unit may include a radio interface for on / off operation or continuous control of the LEDs with regard to brightness or switching times or other additional functionalities.
  • a programming of the power source with respect to the parameters of the individual LEDs to be controlled so that a reduction in the depth of selection of the LEDs used in the manufacturer of the LEDs is possible without sacrificing the functionality of the LED array, in particular the uniform light emission from the LED Having to accept the order.
  • the embodiment of the control of the LEDs of Fig. 1 to Fig. 3 represent only exemplary solutions that differ in their complexity of the respective LED arrangement with regard to the number of controllable LEDs and the integrable control or additional functionalities. All are based on the same operating principle that a certain number of LEDs are powered by a power source configured to provide the manufacturer-specific operating current for the type of LED being used, depending on the application, or one corresponding to the application.
  • LED arrays are known to be operated with a voltage in the low voltage range, according to their characteristic diode characteristics and the manufacturer's specifications in the range of a few volts DC. It follows that the usual mains voltage of eg 110 V or 230 V AC must be converted to the voltage required for the LED arrangement. Suitable for this purpose Methods and devices are well known and are not the subject of the invention.
  • the LED arrangement according to the block diagram in Fig. 1 includes several LEDs I, which are connected in parallel in the illustrated embodiment via the switching elements E, together with the necessary complementary and not shown in the block diagram components, the three points between the last two LEDs I indicate that more than the LEDs shown I can be included in the circuit.
  • an LED group I consisting of a plurality of LEDs I connected in series and / or in parallel can also be used, so that a switching element E is assigned to one LED group I each.
  • an LED symbol would alternatively also be able to stand for a plurality of LEDs I connected in series and / or in parallel, so that the same reference number is assigned to an LED group I as well.
  • LEDs I are current-controlled components, they are operated via a current source D, which is connected to a suitable power supply A.
  • the power supply A serves to supply all the components of the LED array.
  • the power source D supplies a constant current, which is set for each LED I according to the manufacturer's specifications and the application.
  • current sources D are semiconductor-based or, in the simplest case, series resistors are connected in series Voltage source used.
  • Each LED I is assigned a switching element E, which supports short switching times and a quick change of switching states.
  • electronic switching elements e.g. fast thyristors, transistors or MOSFETs.
  • the switching elements are controlled so that in the simplest case only one LED I is in the ON state and with the subsequent switching operation, this LED I off and another LED I is turned on.
  • several of the LEDs I can be switched on at the same time, these being switched off in the subsequent switching operation and other LEDs I being switched on.
  • a control circuit F which can be realized in various ways, e.g. by means of a shift register or a runtime generator.
  • a shift register which may be formed in the simplest case as a flip-flop, both the off state for only one LED I and any combination of several LEDs I can be realized.
  • the currently activated LED I changes so that, consecutively or in any order, each of the LEDs I was switched on and the remaining time is switched off.
  • a shift register and incidentally, a runtime generator is easy and inexpensive to implement.
  • a clock generator G as a clock whose clock frequency is chosen so high that, depending on the number of successively switched LEDs I no flicker of the LED array as a whole results and the illuminance, as with the wavelength-dependent Hell.keitsfunktion of the human eye and with the spectral radiant flux evaluated at the maximum of the photometric radiation equivalent, does not fall below a value which corresponds almost to the illuminance of this LED array in the non-pulsed mode.
  • the LED device further comprises a control unit B which adapts internal parameters to external parameters, e.g. the ambient brightness via the activation or deactivation of the LED array or the reduction of the operating current, which is provided by the power source D.
  • a control unit B which adapts internal parameters to external parameters, e.g. the ambient brightness via the activation or deactivation of the LED array or the reduction of the operating current, which is provided by the power source D.
  • a programming of the current source D with respect to the parameters of the individual LEDs to be controlled I take place.
  • Other functionalities, such as motion detectors or presence detectors or systems for controlling the temperature of the LED array can also be integrated.
  • control unit B it is possible via the control unit B to influence the LEDs I as light sources of the LED arrangement.
  • control unit B may comprise a radio interface for the on / off operation or the continuous control of the LEDs I with regard to brightness or switching times or other additional functionalities.
  • a combination of the method according to the invention with the known pulse width modulation of the clock generator G for dimming the LED arrangement is possible via the control unit B.
  • parameters for operating the LED array that do not directly relate to the LEDs I and their arrangement with one another and are referred to herein as external parameters may be determined by the internal, i.e., the external, parameters. be influenced by the LEDs I parameters determined by the control unit B.
  • the control unit B e.g. a programming of the current source D with respect to the parameters of the individual LEDs to be controlled I done.
  • Fig. 2 an alternative embodiment is shown, in which the operation of an LED array is shown, which comprises a large number of LEDs I.
  • a plurality of LEDs I connected in parallel, each having a switching element E are combined into a block and the blocks are comparable to the individual LEDs I in the exemplary embodiment Fig. 1 by means of the control circuit F, also a shift register controlled.
  • a decoder K is interposed for each block. This converts the switching signal of the register position of the shift register F assigned to the respective decoder K into individual signals for each switching element E of the block.
  • Fig. 3 shows a single control of the LEDs I by means of microcontroller H.
  • the microcontroller H takes over various functions, such as the functions of the clock generator G, the decoder K, and other important for the operation tasks, such as the control of a bus decoder and / or the individual setting of the power source D corresponding to the respective individual LEDs I or group of LEDs I. Also, a variation of the operating current of individual LEDs within the manufacturer parameters is possible.
  • the individual switching elements E or a large number of LEDs I via bus decoder L can be controlled separately, so that any change of the on and off states between the individual LEDs I, but with the characteristic for the LED array clock frequency can be done and this parameter as well as others can also be stored and varied.
  • microcontroller By means of microcontroller but also with other embodiments of the control circuit can according to an embodiment of the method on their operating current and / or the number of their turn-on states are controlled such that when using LEDs of different colors in the LED array and driving the corresponding color LEDs, a defined mixed color is set.
  • a mixed color By way of the different number of switch-on states of the different LEDs, ie their number of clock cycles in which the individual LEDs are switched on, in comparison with one another, a mixed color can be selectively adjusted by measurement or calculation. Additionally or alternatively, the brightness of the individual LEDs and thus their proportion of the mixed color over the operating current are still variable, so that as a result, the resulting mixed color special requirements (eg high daylight similarity according to CRI color rendering index) is customizable.
  • the programmability of the drive in this embodiment of the method also makes it possible that a main LED array can be extended by using the bus decoder L with spatially separated remote sub-assemblies. These are then operated as an extension of the shift register in the main LED array and further improve the energy efficiency of the device.
  • certain types of failures in the LED array can also be detected, e.g. B. increasing the current flow in a branch of the arrangement, which consists of LED I and switching element E and it can, if present, redundant branches of the LED array take over their function.
  • Fig. 4 is a simple design of the control circuit F in the form of a shift register and its connection with the LEDs I via the switching elements E and the power source D and the clock generator G shown. Other components of the LED arrangement are for better clarity because of Fig. 4 not shown.
  • the shift register F is made up of the individual, in Fig. 4 separately represented register locations SR1, SR2, etc. to SRN together, where n is the number of parallel to be controlled in succession LEDs I.
  • the output of each register location SR1, SR2... SRN is connected to a switching element E, eg a MOS-FET, which switches the respectively assigned LED I on and off.
  • the LEDs I are supplied with the respective constant current specified by the manufacturer.
  • the timing of the switching operations is performed by a suitable clock generator G.
  • the individual register locations are connected in series and their outputs are decoded such that the signal of a register location SR1, SR2... SRN, which implements the on or off state for the associated LED I, is applied to each clock moves the adjacent register location SR1, SR2 ... SRN in one direction.
  • the embodiment according to Fig. 4 provides the possibility of measuring the output signal of each switching element E at the measuring points A1, A2, ... An, which is the input signal of the associated LED I.
  • Fig. 5 sets the resulting waveform according to the supply voltage U as a function of time at different points of the circuit according to Fig. 4
  • the signal course U G (t) indicates the clocking superordinate from the clock generator G with a constant signal duration for the on state t i and a very short off state t p of about 1-2% of t i and continuous change of this state, during the signal duration of the switch-off state tp always switch off all the switching elements E the LEDs I and the transition from one LED to the next takes place.
  • the register locations SR1, SR2... SRN of the memory register are assigned such that at a defined time a first LED I is connected to the current source D and all other LEDs I are separated, as shown by way of example in the signal curves U SR1 (t), U SR2 (t) and U SR3 (t) and confirmed at the associated measuring points A1, A2 and A3.
  • the switching state of the first register location SR1 is transferred to the next register location SR2 and the content of the register location SR1 is set to zero.
  • exactly one LED I is always switched on alternately and all others are switched off, then another is switched on and all the others are switched off again. This process is repeated continuously until each of the LEDs I was turned on once and the process starts again.
  • Fig. 6 provides a waveform analogous to that in Fig. 5 but applied to the pulsed operation of the LEDs I of the LED array. Accordingly, the LED array is fed with a pulse operating current specified by the LED manufacturer that is higher than the operating current (in Fig. 6 not shown).
  • the ratio of the on and off state of the higher clock of the clock generator G is also set with a constant signal duration for the on state t i and the off state t p , in which case the on state t i is significantly shorter than the off state t p .
  • the higher clock of the clock generator is adapted to the requirements of the pulse mode (not shown). Accordingly, the illustrated waveform U G (t) and the other signal waveforms shown. From these, in turn, the switching states, as above to Fig. 5 described, but with shorter switching times.
  • Fig. 5 and 6 It can be seen that the individual LEDs I are operated only with very short turn-on, followed by long turn-off states, which serve for recovery of the components involved and also for heat dissipation, It can be seen that the length of these turn-off states directly with the number of in the Arrangement used LEDs I related. Ie. in an LED arrangement with six LEDs I and a switched-on LED I, each of the LEDs I is only switched on again after all the remaining five LEDs I have also passed through their on and off states.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zu Betrieb einer LED-Anordnung zur Beleuchtung, Hinterleuchtung, Bestrahlung oder Signalisation, welches eine oder mehr Leuchtdiode I umfasst, welche mit geschalteter Gleichspannung betrieben werden. Um bei möglichst unverminderter Helligkeit eine Verringerung der Leistungsaufnahme der LED-Anordnung zu ermöglichen, wird jede LED I der LED-Anordnung über ein ihr zugeordnetes Schaltelement E mit der Stromquelle D während eines Einschaltzustandes verbunden und während eines darauf folgenden Ausschaltzustandes wieder getrennt wird, wobei mittels einer Steuerschaltung F eine solche Taktfrequenz größer 100 Hz eingestellt wird, dass entweder die Beleuchtungsstärke im getakteten Betrieb von jenem im ungetakteten Betrieb mit dem für die LED I vorgegebenen charakteristischen Betriebsstrom um höchstens 5% abweicht oder dass, bei zumindest zwei LEDs I, stets nur ein Teil der LEDs I eingeschaltet ist und in zwei aufeinander folgenden Einschaltzuständen jeweils andere LEDs I eingeschaltet werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer LED-Anordnung zur Beleuchtung, Hinterleuchtung, Bestrahlung oder Signalisation, welches zumindest eine Leuchtdiode umfasst, welche mit geschaltetem Gleichstrom betrieben wird.
  • Seit einiger Zeit werden Leuchtdioden, allgemein als LED bezeichnet, gefertigt, die es an Hand ihrer lichttechnischen Parameter rechtfertigen, auch für Beleuchtungszwecke eingesetzt zu werden. Die fortschreitende Verbesserung der Parameter dieser Bauelemente hat dazu geführt, dass sich mit dem Einsatz dieser Bauelemente wesentliche Verbesserungen hinsichtlich des Energieverbrauches und der Lichtausbeute solcher Anordnungen und Beleuchtungseinheiten mit integrierten Anordnungen gegenüber dem Einsatz von Glühlampen und Leuchtstofflampen als Leuchtmittel ergeben.
  • Leuchtdioden als Bauelement werden in verschiedenen Ausführungen angeboten. Im klassischen Sinn umfassen sie die pn-Diode mit ihren Anschlusspaar. Zunehmend werden auch mehrere pn-Halbleiterdioden in einem kompakten Modul mit Gehäuse integriert, wobei die Dioden des Moduls entweder ein gemeinsames oder eine Reihe separater Anschlusspaare aufweisen. Die hier in Betracht gezogenen LEDs umfassen verschiedene Ausbaustufen, die eine oder mehr pn-Halbleiterdioden umfassen, jedoch nur ein Anschlusspaar. Es bleibt jedoch unbenommen, mehrere solcher LEDs zu einer Gruppe zusammenzufassen, d.h. parallel oder in Reihe zusammenzuschalten, so dass sie wie eine LED arbeiten. Gleichermaßen ist nebensächlich ob und in welcher Art die LED gehäust ist.
  • Die Bereitstellung der Betriebsenergie solcher LEDs erfolgt derzeit hauptsächlich durch Netzteile, die die Netzspannung auf eine für LEDs in ihrer Höhe zuträgliche Gleichspannung umsetzen, oder andere Gleichspannungsquellen wie z.B. Batterien. Da LEDs stromgesteuerte Bauelemente sind, müssen sie über ein strombegrenzendes Element, eine Stromquelle, betrieben werden, um eine Zerstörung durch zu hohes Stromaufkommen im Falle eines zu geringen Innenwiderstands des Netzteils oder einer Batterie zu vermeiden. Zum Zwecke dieser Strombegrenzung mittels Erhöhung des Innenwiderstandes der Spannungsquelle werden Widerstände oder auch Stromquellen auf Halbleiterbasis eingesetzt.
  • Für den Betrieb von LED-Anordnungen in Beleuchtungseinheiten werden derzeit Schaltungen eingesetzt, die eine Reihen- und/oder Parallelschaltung der LEDs beinhalten. Durch eine Steuerung mittels Pulsweitenmodulation ist ein Dimmen der Anordnung möglich, wobei als Dimmen die Modifizierung der Beleuchtungsstärke der LED durch Veränderung des Puls/Pausenverhältnisses der Spannungspulse bzw. deren zeitlicher Abfolge verstanden wird. Bekanntermaßen geben die Hersteller üblicherweise die Betriebsparameter für zwei verschiedene Betriebsweisen an, für den Dauerbetrieb den Betriebsstrom und für Impulsbetrieb den Impulsbetriebsstrom, der etwas höher liegt als der Betriebsstrom.
  • Bekanntermaßen wird bei der Pulsweitenmodulation bei einer konstanten Taktfrequenz der Tastgrad, d.h. das Verhältnis der Weiten der beiden in einem Takt wechselnden Spannungszustände modifiziert, so dass linear stufenlose Helligkeitswerte einstellbar sind. Ein Flimmern wird vermieden, indem eine solche Grundfrequenz eingestellt wird, bei der das menschliche Auge die einzelnen Schaltzustände nicht mehr wahrnimmt. Diese Technik wird insbesondere für die Hintergrundbeleuchtung von Anzeigen z.B. in Mobiltelefonen oder Cockpitanzeigen verwendet, in der eine hohe Beleuchtungsstärke nicht erforderlich und nicht gewünscht ist.
  • In der DE 20 2009 001 708 U1 wird ein Dimmen von LED-Anordnungen beschrieben, die der Umbebungsbeleuchtung dienen. Um eine Dimmen zu ermöglichen wird die LED mit Spannungspulsen angesteuert, wobei zur Variation der Beleuchtungsstärke der LED die Pulse insbesondere in ihrer zeitlichen Abfolge modifiziert werden. Dies erfolgt z.B. mittels einer Pulsweitensteuerung zur Erzeugung von Pulsfolgen mit wenigstens 100 Hz, was ermöglicht, dass die einzelnen von der LED abgegebenen Lichtpulse nicht als einzelne Blitze, sondern als gleichmäßiges Licht wahrgenommen werden. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass der Wert der Beleuchtungsstärke auch die Helligkeitsempfindlichkeit des menschlichen Auges einbezieht und damit nicht nur eine fotometrische sondern auch ein physiologische Größe darstellt. Die Beleuchtungsstärke ist somit auch ein Maß für die vom Menschen wahrgenommene Helligkeit der Anordnung.
  • Allgemein ist die Beleuchtungsstärke eine Größe der Lichttechnik und wird bei der rechnergestützten Planung von Beleuchtungsanlagen im Innen- und Außenbereich als Überprüfungskriterium herangezogen. Diese Überprüfung, ob eine Leuchte bzw. ein Leuchtmittel die geplanten Werte in einer bestimmten Umgebung auch erreicht, wird mit Hilfe eines Luxmeters gemessen. Luxmeter enthalten zur Erledigung der Messaufgabe optische und elektronische Filter als auch Bauteile, die die Änderung der Messwerte in kurzen Zeitabschnitten unterdrücken, um stabile Messwerte zu erhalten, die auch angezeigt und auch abgelesen werden können. Solche Filter werden verwendet z. B. um den Erfassungsbereich des Luxmeters auf bestimmte Lichtquellen anzupassen oder auch nur dazu bestimmte Frequenzbereiche des Sonnenlichts auszublenden. Andere Filter werden für bestimmte Farbtemperaturbereiche verwendet oder auch um die Empfindlichkeit des menschlichen Auges für bestimmte Spektralfarben nachzubilden.
  • Mit einem Luxmeter wird die Beleuchtungsstärke gemessen, die die Menge des Lichtstroms eines Leuchtmittels beschreibt, die auf eine Fläche trifft: Beleuchtungsst ⁢ a ¨ ⁢ rke E lx = Lichtstrom Φ lm / Fl ⁢ a ¨ ⁢ che A m 2
    Figure imgb0001
  • Der Lichtstrom beschreibt die von einer Lichtquelle abgegebene Lichtmenge in einem die Lichtquelle umgebenden kugelförmigen Raum insgesamt ohne Berücksichtigung des Abstrahlwinkels. Der Abstrahlwinkel hat jedoch Einfluss auf die Fläche. Der Lichtstrom in Lumen wird von den LED-Herstellern im Datenblatt spezifiziert.
  • Durch den Einsatz von LEDs, die mehrere LED-Chips mit unterschiedlicher Leuchtfarbe in einem Gehäuse enthalten, ist es auch möglich, bei entsprechender Einzelansteuerung dieser Chips die resultierende Mischleuchtfarbe der LEDs, den Erfordernissen anzupassen.
  • Beim Betrieb von LED-Anordnungen zur Beleuchtung der Umgebung von geschlossenen und offenen Räumen wird derzeitig allgemein für den Normalbetrieb, d.h. dem Betrieb ohne Dimmen oder Farbmischung, davon ausgegangen, dass sich im Dauerbetrieb der LEDs auf der Basis der vom Hersteller garantierten Betriebsparameter die höchste Energieeffizienz und die höchste Lichtausbeute für diese Anordnung ergibt. Dies steht jedoch der allgemeinen Forderung nach Verringerung der benötigten Betriebsenergie der Anordnung entgegen. Da das Dimmen zwar eine Verringerung des Leistungsverbrauchs bewirkt, dies aber stets auch mit einer verminderte Lichtausbeute verbunden ist, kommt dieses Verfahren für viele Anwendungen zur Erhöhung der Energieeffizienz nicht in Betracht.
  • Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer LED-Anordnung zur Beleuchtung und ebenso zur Hinterleuchtung, Bestrahlung und Signalisation oder andere vergleichbare Anwendungen zur Verfügung zu stellen, die bei möglichst unverminderter Helligkeit eine Verringerung der Leistungsaufnahme der LED-Anordnung ermöglicht.
  • Zur Lösung der Aufgabenstellung wird ein Verfahren zum Betrieb einer LED-Anordnung beschrieben, bei dem die LEDs der LED-Anordnung über ein jeder LED zugeordnetes Schaltelement mit einer Stromquelle, die der Versorgung jeder LED mit dem für sie vorgegebenen konstanten Strom dient, während eines Einschaltzustands verbunden und während eines darauf folgenden Ausschaltzustands wieder getrennt wird. Mittels einer Steuerschaltung wird eine Taktfrequenz eines Ein- und Ausschaltzustandes größer 100 Hz eingestellt, wobei für den Fall von zwei oder mehr LEDs in der LED-Anordnung deren Schaltelemente mittels einer Steuerschaltung mit einer einheitlichen Taktfrequenz eines Ein- und Ausschaltzustandes größer 100 Hz derart gesteuert werden, dass stets nur ein Teil der LEDs eingeschaltet ist und in zwei aufeinander folgenden Einschaltzuständen jeweils andere LEDs eingeschaltet werden.
  • Für den Fall einer LED in der LED-Anordnung, für den das erfindungsgemäße Verfahren mit entsprechend angepassten Schaltkriterien in analoger Weise anwendbar ist, und in einer Ausgestaltung des Verfahrens für LED-Anordnungen für mehr als eine LED wird mittels einer Steuerschaltung eine solche Taktfrequenz eines Ein- und Ausschaltzustandes größer 100 Hz eingestellt, dass die Beleuchtungsstärke im getakteten Betrieb von jener im ungetakteten Betrieb, d.h. im Dauerbetrieb mit dem für die LED vorgegebenen charakteristischen Betriebsstrom, mit dem für die LED vorgegebenen charakteristischen Betriebsstrom um höchstens 5% abweicht. Bevorzugt soll die Abweichung höchstens 2%, am meisten bevorzugt höchstens 1% betragen.
  • Der Betrieb einer LED-Anordnung mit einer oder mehr LEDs mit dem erfindungsgemäßen, für verschiedene Zwecke anwendbaren Verfahren erzielt insbesondere eine Erhöhung der Energieeffizienz, der Lebensdauer und der Zuverlässigkeit der LED-Anordnung bei gleicher oder zumindest nahezu gleicher wahrgenommener Beleuchtungsstärke im Vergleich zum Dauerbetrieb einer gleichen Anzahl von LEDs des gleichen Typs und bei gleichen Betriebsparametern.
  • Da sich von der LED-Anordnung immer nur ein Teil, bestenfalls eine LED oder LED-Gruppe bzw. die eine LED der LED-Anordnung nur zeitweise im Einschaltzustand befindet und dennoch infolge der Trägheit des menschlichen Auges bzw. anderer physikalischer und physiologischer Effekte die wahrgenommene Beleuchtungsstärke der erfindungsgemäßen LED-Anordnung einer konventionellen LED-Anordnung im Dauerbetrieb entspricht, wird wie nachfolgend dargelegt die Energieeffizienz deutlich gesteigert.
  • Aufgrund der erfindungsgemäßen Betriebsweise befinden sich die einzelnen LEDs oder LED-Gruppen der LED-Anordnung nur kurze Zeit im Einzustand, so dass sich zudem eine höhere Lebensdauer der einzelnen LEDs ergibt. Denn bekanntermaßen hängt die Lebensdauer einer LED von der Zeit ab, in der sich diese im Betrieb befindet. Die theoretische Lebensdauer der LED-Anordnung ergibt sich also aus der Multiplikation der Lebensdauer der einzelnen LEDs, je nach Anzahl der gleichzeitig betriebenen LEDs.
  • Ein weiterer Effekt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Erhöhung der Zuverlässigkeit der LED-Anordnung. Da jede LED oder gegebenenfalls jede LED-Gruppe über ein separates Schaltelement betrieben werden, arbeitet bei einem Ausfall nur einer LED die LED-Anordnung weiter. Ein Kurzschluss über die ausgefallene LED, der auch zu einem Ausfall der Stromquelle führen kann, wird durch die regelmäßige Abschaltung der defekten LED durch das Schaltelement verhindert. Somit bewirkt die Zuordnung von Schaltelementen zu den einzelnen LEDs eine Verbesserung der Zuverlässigkeit der LED-Anordnung. Ausfälle von LEDs, Schaltelementen oder Schaltungsteilen der LED-Anordnung führen aufgrund ihres Fehlens im Verlauf der Taktung lediglich zu einer mehr oder weniger feststellbaren Reduzierung der Beleuchtungsstärke, nicht zum Totalausfall der LED-Anordnung. Ein Ausfall der LED-Anordnung erfolgt nur dann, wenn auch die Stromquelle oder die Steuerschaltung ausfällt. Um die Zuverlässigkeit auch bei Mehrfachfehlern, d.h. dem gleichzeitigen Ausfall einer LED und des ihr zugeordneten Schaltelements, zu gewährleisten, können solche Bauelemente höherer Zuverlässigkeit verwendet werden oder redundant aufgebaut sein, die der Stromversorgung bzw. als Ablaufsteuerung der LEDs über die Schaltelemente dienen.
  • Auf die Zuverlässigkeit wirkt sich auch die Wärmebilanz der LED-Anordnung aus. Durch die erfindungsgemäße Art der Ansteuerung der LEDs und den daraus resultierenden Betrieb mit den vom LED-Hersteller spezifizierten Parametern ergibt sich eine sehr geringe Erwärmung der Anordnung, da die geringere Eigenerwärmung in jedem Fall an die Umgebung abgeführt werden kann. Die verringerte Temperaturbelastung vermindert auch Alterungsprozesse und ein damit einhergehendes Absenken der Lichtausbeute der LEDs.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist für LED-Anordnungen in verschiedenen Anwendungsfällen geeignet. Es gestattet beispielsweise, die Umgebung für den Menschen in geschlossenen und offenen, z.B. Straßenräumen zu beleuchten, so dass eine Erhöhung der Lichtausbeute als Verhältnis des Lichtstroms zur von der LED-Anordnung aufgenommenen elektrischen Leistung, insbesondere infolge einer Verringerung der Leistungsaufnahme möglich ist. Aufgrund des sich aus den laufend wiederkehrenden Ausschaltzuständen ergebenden wesentlich geringeren Energiebedarfs der LED-Anordnung, ergibt sich eine wesentlich höhere Lichtausbeute und das bei nahezu gleicher Beleuchtungsstärke im Vergleich zum Stand der Technik. Die Lichtausbeute eines Leuchtmittels ist das Verhältnis des Lichtstromes zur aufgenommenen elektrischen Leistung (1m/W). Sie ist ein Maß für die Energieeffizienz des Leuchtmittels.
  • Bei der erfindungsgemäßen Verfahrensweise werden die eine oder mehr LEDs der LED-Anordnung diskontinuierlich betrieben, wobei die Gegebenheiten des menschlichen Auges und des Gehirns hinsichtlich der wahrgenommenen Beleuchtungsstärke ausgenutzt werden, um die Lichtausbeute und damit verbunden die Energieeffizienz zu erhöhen, um auf diesem Weg eine geringere Leistungsaufnahme durch die LED-Anordnung zu erzielen.
  • Zum einen wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgenutzt, dass das menschliche Auge in seiner Wahrnehmung von Helligkeitsunterschieden träge ist. Das bedeutet, Helligkeitsunterschiede werden nicht mehr wahrgenommen, wenn sie mit einer entsprechend hohen Folgefrequenz auftreten. Zum anderen erzeugen abrupte Übergänge zwischen Aus- und Einzustand im Auge einen deutlich höheren Helligkeitseindruck. Letzteres ist als Lichtblitzeffekt bekannt. Erfolgt der getaktete Betrieb mit steilen Impulsflanken, wie beispielsweise bei Blitzlichtanwendungen, kann der Helligkeitseindruck durch die abrupten Helligkeitsänderungen noch gesteigert werden. Mit den LEDs stehen Lichtquellen zur Verfügung, die aufgrund ihrer Möglichkeit des schnellen Ein- und Ausschaltens einen solchen Betrieb ermöglichen.
  • Im Hinblick auf die oben genannten Effekte auf die menschliche Wahrnehmung ist es für den Helligkeitseindruck und damit für die Beleuchtungsstärke unerheblich, ob die Lichtquelle kontinuierlich eingeschaltet ist oder mit einer hohen Wiederholfrequenz ein- und ausgeschaltet wird. Für die Energieeffizienz einer Lichtquelle hingegen ist eine solche Betriebsweise von hoher Bedeutung, da in den Ausschaltzuständen keine Betriebsleistung aufgenommen wird. Es wird sich also aus dieser Betrachtung selbst bei gleicher oder mit mindestens 95%, bevorzugt mindestens 98%, am meisten bevorzugt mindestens 99% nahezu gleicher Beleuchtungsstärke eine Halbierung des Energieverbrauchs durch eine LED ergeben, wenn die Ausschaltzustände mindestens so lang sind wie die Einschaltzustände.
  • Die Taktung der Schaltvorgänge erfolgt mit einer Taktfrequenz, die so hoch gewählt ist, dass sich in Abhängigkeit von der Anzahl der nacheinander ein- und auszuschaltenden LEDs kein Flimmern der LED-Anordnung als Ganzes ergibt. Zudem ist es möglich, dass die wahrgenommene Beleuchtungsstärke nicht unter einen Wert absinkt, der mit mindestens 95%, bevorzugt mindestens 98%, am meisten bevorzugt mindestens 99%, jener Beleuchtungsstärke dieser LED-Anordnung im ungetakteten Betrieb nahezu entspricht. Die einzustellende Taktfrequenz ergibt sich durch folgende drei Optimierungskriterien:
    • Flimmerfreiheit der Anordnung
    • Maximale wahrgenommene Beleuchtungsstärke ist nahezu gleich der Beleuchtungstärke der Anordnung bei Dauerbetrieb
    • Geringster Verbrauch an Betriebsenergie
    und ist leicht durch Versuche für die jeweilige LED-Anordnung zu ermitteln.
  • Die untere Grenze des Frequenzbereichs von ca. 100 Hz ist diejenige, ab der das menschliche Auge den diskontinuierlichen Betrieb nicht mehr als solchen wahrnimmt, d.h. kein Flimmern festgestellt wird. Dabei ist der Lichtblitzeffekt zur Steigerung des Helligkeitseindrucks zielführend nutzbar. Die obere Grenze des Frequenzbereichs ist durch die Vermeidung der elektromagnetischen Störung durch Wechselfelder, als EMV bekannt, gegeben.
  • Damit ist es möglich, eine LED-Anordnung so zu betreiben, dass es praktisch ausreicht, immer nur eine der LEDs der Anordnung oder, falls die LED-Anordnung nur eine LED umfasst, diese nur zeitweise einzuschalten und dennoch die gewünschte Beleuchtungsstärke zu erzielen, als würden alle LEDs gleichzeitig oder die eine LED kontinuierlich eingeschaltet sein. Da aber nur einige, im optimalen Fall nur eine LED je Takt eingeschaltet ist, wird auch nur der Leistungsverbrauch dieser wirksam. Die Energieeffizienz steigt demnach mit dem Verhältnis der gesamten Anzahl der LEDs der LED-Anordnung zur Anzahl der gleichzeitig eingeschalteten LEDs. Die Lichtausbeute nimmt mit der Anzahl der LEDs der LED-Anordnung als Addition der Lichtausbeuten der einzelnen LEDs zu. Grenzen in der Ausführung dieser Betriebsweise der LED-Anordnung hinsichtlich der maximalen Anzahl der zu steuernden LEDs bilden unter anderem die Abführung der Verlustwärme der jeweiligen LED-Anordnung und die Schaltzeiten der eingesetzten LEDs und anderen Bauelementen der LED-Anordnung.
  • Entsprechend einer Ausgestaltung des Verfahrens kann die LED-Anordnung auch mit Impulsbetriebsstrom betrieben werden. In diesem Fall kann über die Stromquelle ein Betriebsstrom eingespeist werden, der höher ist als der vom Hersteller vorgegebene charakteristische Dauerbetriebsstrom. Für diese Ausführungsvariante kann deshalb z.B. der vom Hersteller garantierte Impulsstrom genutzt werden. Voraussetzung dafür ist, dass die dynamische Verlustleistung der LEDs und anderen Bauelementen nicht überschritten wird. In diese dynamische Verlustleistung gehen z.B. das Verhältnis Ein- zu Auszeit und die Umgebungsparameter sowie die Parameter der verwendeten Bauelementegehäuse hinsichtlich des Wärmeverhaltens ein.
  • Diese Betriebsweise führt zu einer weiteren Erhöhung der Helligkeit aufgrund des höheren Betriebsstroms und zudem auch zu einem helleren Lichtblitz beim Einschalten, wodurch sich der oben beschriebene physiologische Lichtblitzeffekt verstärkt und eine höhere Lichtausbeute erzielbar ist.
  • Bekanntermaßen geben die Hersteller üblicherweise die Betriebsparameter für zwei verschiedene Betriebsweisen an, und zwar für den Dauerbetrieb den Betriebsstrom und für Impulsbetrieb den Impulsbetriebsstrom, der etwas höher liegt als der Betriebsstrom. D.h. die vom Hersteller von LEDs angegebenen Betriebsparameter, insbesondere der Betriebsstrom, werden für den Impulsbetrieb und den kontinuierlichen Betrieb spezifiziert. Die Lebensdauer einer LED hängt aufgrund der Erschöpfung des Halbleitermaterials, der Alterung des Diodenchips und des Phosphors bei weißen LEDs, als auch aufgrund von Materialwanderungsprozessen im LED-Aufbau, wesentlich von der Einschaltdauer der LED, der Höhe der Betriebsströme und der damit indizierten Erwärmung des Halbleitermaterials sowie der Umgebungsbedingungen während des Betriebs, beides bestimmt hauptsächlich die Betriebstemperatur, ab.
  • Ein wichtiger Parameter für eine Erhöhung der LED-Lebensdauer ist dabei der Betriebsstrom pro Zeit. Folglich wirkt sich das erfindungsgemäße Verfahren, das sowohl auf den diskontinuierlichen als auch auf den Impulsbetrieb einer LED anwendbar ist, positiv auf die Lebenserwartung der LEDs der LED-Anordnung aus. So führt die verringerte Einschaltdauer der Lichtquelle im erfindungsgemäßen Betrieb zu einer geringeren Erwärmung der LED. Zudem kann die Wärme in den Ausschaltzuständen an die Umgebung abgegeben werden. Bei guter Wärmeableitung kann folglich ebenfalls mit einem erhöhten Betriebsstrom und folglich unter verbesserter Ausnutzung der genannten Effekte mit einer höheren Lichtausbeute gearbeitet werden.
  • Bekanntermaßen wird eine weiße LED, vergleichbar aber auch eine farbige LED, unter Ausnutzung der additiven Farbmischung und unter Verwendung zumindest einer farbigen oder UV-LED in Verbindung mit einem photolumineszierendem Material als Leuchtstoff, zumeist Phosphor, realisiert. Für den Helligkeitseindruck der LED-Anordnung spielt somit neben den genannten physiologischen Effekten auch die Nachleuchtdauer und das Abklingverhalten des angeregten Leuchtstoffs eine Rolle. Somit ist es möglich, auch durch diesen Effekt den Helligkeitseindruck zu erhöhen, da bei einer entsprechend gewählten Taktfrequenz der Ausschaltzustand durch das Nachleuchten des Phosphors überbrückt wird, so dass auch die Ausnutzung dieses Effekts die positive Bilanz in der Lichtausbeute und der Energieeffizienz erhöht. Bei der Verwendung von LEDs mit langleuchtendem Phosphor, z.B. mit Nachleuchtzeiten von 10 bis 20 ms kann dieser Effekt noch verstärkt werden im Vergleich zu sonst üblichen Nachleuchtzeiten von gegenwärtig 1 bis 2 ms.
  • Die energietechnische Ansteuerung von LEDs erfolgt üblicherweise durch Netzteile, die die Netzspannung auf eine für LEDs in ihrer Höhe zuträgliche Gleichspannung umsetzen. Da LEDs stromgesteuerte Bauelemente sind, müssen sie über eine Stromquelle betrieben werden, um eine Zerstörung durch zu hohen Stromfluss, wie es bei einer Spannungsquelle beispielsweise durch Verringerung des Innenwiderstandes des Netzteiles oder der Batterie auftreten kann, zu vermeiden.
  • Die Realisierung des erfindungsgemäßen getakteten Betriebs erfolgt mit einem Schaltelement, das der LED zugeordnet ist und durch kurze Schaltzeiten die eine Ansteuerung mit steilen Impulsflanken erlaubt. Damit können einerseits eine hohe Taktfrequenz realisiert und andererseits die Schaltverluste gering gehalten werden.
  • Die LED-Anordnung umfasst in einer Ausführung eine Steuereinheit, die interne Parameter externen Parametern anpasst oder umgekehrt. Z.B. können integrierte Helligkeitssensoren in Abhängigkeit von der Umgebungshelligkeit die LED-Anordnung aktivieren oder deaktivieren sowie den Betriebsstrom, der durch die Stromquelle bereit gestellt wird, reduzieren. Auch wenn das beschriebene Verfahren zunächst einer LED-Anordnung im Normalbetrieb dient, gestattet es entsprechend einer Verfahrensausgestaltung auch die Kombination mit dem Dimmen der LED-Anordnung mittels der Steuereinheit. In diesem Fall wird die Stromquelle für die LEDs so gesteuert, dass der entnehmbare Strom verändert wird und sich die Helligkeit der LEDs reduziert. Darüber hinaus kann auch die Pulsweitenmodulation oder die Verminderung der Taktfrequenz zum Dimmen genutzt werden.
  • Des Weiteren kann ein Bewegungsmelder oder Präsenzmelder integriert werden, der ein automatisches Abschalten einer nicht benötigten LED-Anordnung bewirkt, wenn sich keine Person in der unmittelbaren Umgebung befindet oder eine Reduzierung der Helligkeit für den Fall, dass die LED-Anordnung in ein Notlichtsystem eingebunden ist, das mittels einer Stützbatterie betrieben wird. Außerdem kann z.B. bei Änderungen der Temperatur der LED-Anordnung durch Änderung der Umgebungstemperatur oder Eigenerwärmung ein System zur Temperierung, d.h. Einstellung einer bevorzugten Temperatur durch Wasserkühlung, Belüftung oder gegebenenfalls auch Erwärmung aktiviert werden. Für LEDs gilt allgemein, dass eine Erhöhung der LED-Temperatur eine Verringerung der Lichtausbeute bewirkt, wenn die untere garantierte Betriebstemperatur der Bauelemente nicht unterschritten wird.
  • Ergänzend können in einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens über diese Steuereinheit die LEDs als Lichtquellen der LED-Anordnung beeinflusst werden. Z.B. kann die Steuereinheit eine Funkschnittstelle für den Ein/Ausbetrieb oder die kontinuierliche Steuerung der LEDs hinsichtlich Helligkeit oder Schaltzeiten oder anderer Zusatzfunktionalitäten umfassen. Außerdem kann eine Programmierung der Stromquelle hinsichtlich der Parameter der zu steuernden einzelnen LEDs erfolgen, so dass eine Verringerung der Selektionstiefe der eingesetzten LEDs beim Hersteller der LEDs möglich ist, ohne Einbußen in der Funktionalität der LED-Anordnung, insbesondere dem gleichmäßigen Lichtaustritt aus der LED-Anordnung hinnehmen zu müssen.
  • Das zuvor beschriebene Verfahren ist für einzelne oder über Schaltelemente parallel geschaltete LEDs beschrieben. Alternativ sind anstelle einer, mehrerer oder aller LEDs je Zweig auch eine LED-Gruppe von mehreren in Reihe oder parallel geschalteten LEDs verwendbar. In diesem Fall sind die obigen Darlegungen in analoger Weise auf LED-Gruppen anwendbar.
  • Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in
    • Fig. 1
    ein Blockschaltbild einer LED-Anordnung mit mehreren LEDs, die über ihre Schaltelemente einzeln angesteuert werden,
    Fig. 2
    ein Blockschaltbild einer LED-Anordnung mit mehreren LEDs, die zu Blöcken zusammengefasst angesteuert werden,
    Fig. 3
    ein Blockschaltbild einer LED-Anordnung mit Fig. 4 mehreren LEDs, die zu Blöcken zusammenfassbar über einen Mikrocontroller angesteuert werden, einen Schaltplan für die Ausführung und den Betrieb eines Schieberegisters,
    Fig. 5
    einen beispielhaften Signalverlauf für die Ausführungsform, in welcher von einer Mehrzahl von LEDs immer nur eine je Takt eingeschaltet ist, bei dem vom LED Hersteller spezifizierten Betriebsstrom und
    Fig. 6
    einen beispielhaften Signalverlauf für eine Ausführungsform, in welcher von einer Mehrzahl von LEDs immer nur eine je Takt eingeschaltet ist und die LEDs mit Impulsbetriebsstrom betrieben werden.
  • Die Ausgestaltung der Ansteuerung der LEDs der Fig. 1 bis Fig. 3 stellen lediglich beispielhafte Lösungen dar, die sich in ihrer Komplexität der jeweiligen LED-Anordnung hinsichtlich der Anzahl der ansteuerbaren LEDs und der integrierbaren Steuerelement bzw. Zusatzfunktionalitäten unterscheiden. Alle basieren auf demselben Wirkprinzip, nach dem eine bestimmte Anzahl von LEDs über eine Stromquelle betrieben werden, die so konfiguriert ist, dass sie je nach Anwendungsfall den herstellerspezifischen Betriebsstrom für den verwendeten LED-Typ bereitstellt, oder einen der Anwendung entsprechenden.
  • Wie oben bereits dargelegt, werden LED-Anordnungen bekanntermaßen mit einer Spannung im Niedervoltbereich betrieben, entsprechend ihren charakteristischen Diodenkennlinien und den Herstellerangaben im Bereich von einigen Volt Gleichspannung. Daraus ergibt sich, dass die übliche Netzspannung von z.B. 110 V oder 230 V Wechselspannung auf die für die LED-Anordnung erforderliche Spannung gewandelt werden muss. Hierfür verwendbare Verfahren und Vorrichtungen sind allgemein bekannt und sind nicht Gegenstand der Erfindung.
  • Die LED-Anordnung gemäß dem Blockschaltbild in Fig. 1 umfasst mehrere LEDs I, die im dargestellten Ausführungsbeispiel über die Schaltelemente E, zusammen mit den notwendigen ergänzenden und im Blockschaltbild nicht näher dargestellten Bauelementen, parallel geschalten sind, wobei die drei Punkte zwischen den beiden letzten LEDs I darauf hinweisen, dass mehr als die dargestellten LEDs I in die Schaltung aufgenommen werden können.
  • Alternativ kann wie oben erwähnt, bei entsprechend angepasster Stromquelle D anstelle einer einzelnen, mit einem Schaltelement E verbundenen LED I auch eine LED-Gruppe I, die aus mehreren in Reihen und/oder parallel geschalteten LEDs I besteht, verwendet werden, so dass ein Schaltelement E jeweils einer LED-Gruppe I zugeordnet ist. In der Darstellung der Fig. 1 bis Fig. 3 würde demzufolge ein LED-Symbol alternativ auch für mehrere in Reihe und/oder parallel geschaltete LEDs I stehen können, so dass auch einer LED-Gruppe I dasselbe Bezugszeichen zugeordnet ist. Wenn nachfolgend von einer LED gesprochen wird, sollen sich die Darlegungen folglich auch auf eine solche LED-Gruppe I beziehen. Im Folgenden soll der besseren Übersicht wegen die Beschreibung beispielhaft anhand einer LED I je Schaltelement E erfolgen.
  • Da LEDs I stromgesteuerte Bauelemente sind, werden sie über eine Stromquelle D betrieben, die mit einer geeigneten Stromversorgung A verbunden ist. Die Stromversorgung A dient der Versorgung aller Komponenten der LED-Anordnung.Die Stromquelle D liefert einen konstanten Strom, der für jede LED I entsprechend den Herstellervorgaben und dem Anwendungsfall eingestellt wird. Zum Zweck der Strombegrenzung werden Stromquellen D auf Halbleiterbasis oder im einfachsten Fall Vorwiderstände in Reihe zu einer Spannungsquelle verwendet.
  • Jeder LED I ist ein Schaltelement E zugeordnet, das kurze Schaltzeiten und einen schnellen Wechsel der Schaltzustände unterstützt. In Frage kommen insbesondere elektronische Schaltelemente, z.B. schnelle Thyristoren, Transistoren oder MOS-FET's. Die Schaltelemente werden so gesteuert, dass sich im einfachsten Fall jeweils nur eine LED I im Einschaltzustand befindet und mit dem darauffolgenden Schaltvorgang diese LED I aus und eine andere LED I eingeschaltet wird. Alternativ können auch mehrere der LEDs I gleichzeitig eingeschaltet sein, wobei diese in darauffolgenden Schaltvorgang ausgeschaltet und andere LEDs I eingeschaltet werden.
  • Die Ansteuerung der Schaltelemente E erfolgt mittels einer Steuerschaltung F, die auf verschiedene Weise realisiert sein kann, z.B. mittels eines Schieberegisters oder eines Laufzeitgenerators. Mit einem Schieberegister, das im einfachsten Fall als Flip-Flop ausgebildet sein kann, sind sowohl der Ausschaltzustand für nur eine LED I als auch beliebige Kombinationen mehrerer LEDs I realisierbar. In jedem Fall wechselt bei der Verwendung eines Schieberegisters mit jedem Schaltvorgang die aktuell eingeschaltete LED I, so dass nacheinander oder beliebiger Reihenfolge jede der LEDs I eingeschalten war und die übrige Zeit ausgeschaltet ist. Zudem ist ein Schieberegister und im Übrigen auch ein Laufzeitgenerator einfach und kostengünstig zu realisieren.
  • Die Taktung der Schaltvorgänge erfolgt mittels eines Taktgenerators G als Taktgeber, dessen Taktfrequenz so hoch gewählt ist, dass sich in Abhängigkeit von der Anzahl der nacheinander einzuschaltenden LEDs I kein Flimmern der LED-Anordnung als Ganzes ergibt und die Beleuchtungsstärke, als den mit der wellenlängenabhängigen Hellempfindlichkeitsfunktion des menschlichen Auges und mit dem Maximum des photometrischen Strahlungsäquivalents bewertete spektrale Strahlungsfluss, nicht unter einen Wert absinkt, der nahezu der Beleuchtungsstärke dieser LED-Anordnung im ungetakteten Betrieb entspricht.
  • Die LED-Anordnung gemäß Ausführungsbeispiel umfasst weiter eine Steuereinheit B, die interne Parameter externen Parametern anpasst, z.B. der Umgebungshelligkeit über das Aktivieren oder Deaktivieren der LED-Anordnung oder die Reduzierung des Betriebsstroms, der durch die Stromquelle D bereit gestellt wird. Außerdem kann eine Programmierung der Stromquelle D hinsichtlich der Parameter der zu steuernden einzelnen LEDs I erfolgen. Auch weitere Funktionalitäten, wie Bewegungsmelder oder Präsenzmelder oder Systeme zur Temperierung der LED-Anordnung können integriert sein.
  • Ebenso ist es über die Steuereinheit B möglich die LEDs I als Lichtquellen der LED-Anordnung zu beeinflussen. Z.B. kann die Steuereinheit B eine Funkschnittstelle für den Ein/Ausbetrieb oder die kontinuierliche Steuerung der LEDs I hinsichtlich Helligkeit oder Schaltzeiten oder anderer Zusatzfunktionalitäten umfassen. Auch eine Kombination des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der bekannten Pulsweitenmodulation des Taktgenerators G zum Dimmen der LED-Anordnung ist über die Steuereinheit B möglich.
  • Umgekehrt können Parameter zum Betrieb der LED-Anordnung, die nicht unmittelbar die LEDs I und deren Anordnung zueinander betreffen und hier als externe Parameter bezeichnet werden, durch die internen, d.h. durch die LEDs I bestimmten Parameter mittels der Steuereinheit B beeinflusst werden. So kann z.B. eine Programmierung der Stromquelle D hinsichtlich der Parameter der zu steuernden einzelnen LEDs I erfolgen.
  • Anhand Fig. 1 soll für das Beispiel von sechs LEDs I die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbare Energieeffizienz der LED-Anordnung im Vergleich zum Dauerbetrieb ermittelt werden.
  • Es wird ein Typ von LEDs I mit folgenden Betriebsparametern zu Grunde gelegt:
    • Lichtstrom 100 lm
    • Betriebsstrom 350 mA
    • Spannung 3,4V
  • Im Dauerbetrieb ergibt sich folgende Energieeffizienz:
    • Aufgenommene Betriebsleistung: 6 * 350 mA * 3,4 V = 7,4 W Energieeffizienz = Lichtstrom / Betriebsleistung
      Figure imgb0002
       Energieeffizienz = 6 * 100 lm / 7 , 4 W = 81 lm / W
      Figure imgb0003
  • Nach erfindungsgemäßem Verfahren mit nur einer LED im Einschaltzustand je Takt ergibt sich folgende Energieeffizienz:
    • Aufgenommene Betriebsleistung: 350 mA * 3,4 V = 1,19 W Energieeffizienz = 6 * 100 lm / 1 , 19 W = 504 , 2 lm / W
      Figure imgb0004
  • Für LED-Anorndnung mit 16 weißen LEDs ergeben sich folgende Werte im Dauerbetrieb:
    • Aufgenommene Betriebsleistung: 16 * 350 mA * 3,4V = 19,04W Energieeffizienz = 16 * 100 lm / 7 , 4 W = 84 lm / W
      Figure imgb0005
      und nach erfindungsgemäßem Verfahren:
    • Aufgenommene Betriebsleistung: 350 mA * 3,4 V = 1,19 W Energieeffizienz = 16 * 100 lm / 1 , 19 W = 1.344 , 5 lm / W
      Figure imgb0006
  • Mit steigender LED-Anzahl der LED-Anordnung ergibt sich im erfindungsgemäßen Betrieb somit ein deutlicher Anstieg der Effizienz gegenüber einem Dauerbetrieb der LEDs.
  • In Fig. 2 ist eine alternative Ausgestaltung dargestellt, in der die Betriebsweise einer LED-Anordnung gezeigt ist, die eine große Anzahl von LEDs I umfasst. In diesem Fall werden jeweils mehrere parallel geschaltete LEDs I mit jeweils einem Schaltelement E zu je einem Block zusammengefasst und die Blöcke vergleichbar den einzelnen LEDs I im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 mittels der Steuerschaltung F, ebenfalls ein Schieberegister, gesteuert werden. Um dennoch die Schaltelemente E und damit die LEDs I einzeln ansteuern zu können, wird für jeden Block ein Dekoder K zwischengeschaltet. Dieser setzt das Schaltsignal des dem jeweiligen Dekoder K zugeordneten Registerplatzes des Schieberegisters F in Einzelsignale für jedes Schaltelement E des Blocks um.
  • Fig. 3 zeigt eine Einzelansteuerung der LEDs I mittels Mikrocontroller H. Der Mikrokontroller H übernimmt hier verschiedene Funktionen, z.B. die Funktionen des Taktgenerators G, des Dekoders K, und weitere für den Betrieb wichtige Aufgaben, z.B. die Steuerung eines Busdekoders und/oder das individuelle Einstellen der Stromquelle D entsprechend der jeweiligen Einzel-LEDs I oder Gruppe von LEDs I. Auch eine Variation des Betriebsstroms einzelner LEDs innerhalb der Herstellerparameter ist möglich. Damit sind die einzelnen Schaltelemente E oder eine große Anzahl von LEDs I über Busdekoder L separat ansteuerbar, so dass ein beliebiger Wechsel der Ein- und Ausschaltzustände zwischen den einzelnen LEDs I, allerdings mit der für die LED-Anordnung charakteristischen Taktfrequenz erfolgen kann und dieser Parameter sowie weitere auch speicherbar und variierbar sind.
  • Mittels Mikrokontroller aber auch mit anderen Ausgestaltungen der Steuerschaltung kann entsprechend einer Ausgestaltung des Verfahrens über ihren Betriebsstrom und/oder die Anzahl ihren Einschaltzustände derart gesteuert sind, dass bei der Verwendung von LEDs unterschiedlicher Farbe in der LED-Anordnung und Ansteuerung der entsprechenden Farb-LEDs eine definierte Mischfarbe eingestellt ist. Über die unterschiedliche Anzahl der Einschaltzustände der verschiedenen LEDs, d.h. deren Anzahl der Takte in denen die einzelnen LEDs eingeschaltet sind, imVergleich untereinander ist eine Mischfarbe durch Messung oder Berechnung gezielt einstellbar. Ergänzend oder alternativ sind die Helligkeit der einzelnen LEDs und damit deren Anteil an der Mischfarbe über den Betriebsstrom noch variierbar, so dass im Ergebnis die resultierende Mischfarbe besonderen Anforderungen (z.B. hohe Tageslichtähnlichkeit gemäß CRI-Farbwiedergabeindex) anpassbar ist.
  • Die Programmierbarkeit der Ansteuerung in dieser Ausgestaltung des Verfahrens ermöglicht es auch, das eine Haupt-LED-Anordnung durch Einsatz der Busdekoder L mit räumlich getrennten entfernten Teilanordnungen erweitert werden kann. Diese werden dann als Verlängerung des Schieberegisters in der Haupt-LED-Anordnung betrieben und verbessern die Energieeffizienz der Anordnung weiter.
  • Durch den Einsatz eines Mikrocontrollers H in der LED-Anordnung können außerdem bestimmte Arten von Ausfällen in der LED-Anordnung festgestellt werden, z. B. Erhöhung des Stromflusses in einem Zweig der Anordnung, der aus LED I und Schaltelement E besteht und es können, falls vorhanden, redundante Zweige der LED-Anordnung deren Funktion übernehmen.
  • In Fig. 4 ist eine einfache Gestaltung der Steuerschaltung F in Form eines Schieberegisters und dessen Verbindung mit den LEDs I über deren Schaltelemente E sowie der Stromquelle D und dem Taktgenerator G dargestellt. Weitere Komponenten der LED-Anordnung sind der besseren Übersicht wegen in Fig. 4 nicht dargestellt.
  • Das Schieberegister F setzt sich aus den einzelnen, in Fig. 4 separat dargestellten Registerplätzen SR1, SR2 usw. bis SRN zusammen, wobei n die Anzahl der parallel nacheinander anzusteuernden LEDs I ist. Der Ausgang eines jeden Registerplatzes SR1, SR2 ... SRN ist mit einem Schaltelement E verbunden, z.B. einem MOS-FET, welcher die jeweils zugeordnete LED I ein- und ausschaltet. Mittels der Stromquelle D werden die LEDs I mit dem jeweiligen vom Hersteller vorgegebenen konstanten Strom versorgt. Die Taktung der Schaltvorgänge erfolgt durch einen geeigneten Taktgenerator G.
  • Die einzelnen Registerplätze sind, wie von einem Schieberegister bekannt, so hintereinander geschaltet und deren Ausgänge dekodiert, dass mit jedem Takt das Signal eines Registerplatzes SR1, SR2 ... SRN, das den Ein- oder den Ausschaltzustand für die zugehörige LED I realisiert, an den benachbarten Registerplatz SR1, SR2 ... SRN in einer Richtung weiter schiebt. Die Ausgestaltung gemäß Fig. 4 sieht die Möglichkeit der Messung des Ausgangssignals eines jeden Schaltelements E an den Messstellen A1, A2, ... An vor, die das Eingangssignal der zugeordneten LED I ist.
  • Fig. 5 stellt den sich daraus ergebenden Signalverlauf anhand der Speisespannung U in Abhängigkeit von der Zeit an verschiedenen Punkten der Schaltung gemäß Fig. 4 dar. Der Signalverlauf UG (t) gibt die vom Taktgenerators G übergeordnete Taktung mit konstanter Signaldauer für den Einschaltzustand ti und einen sehr kurzen Ausschaltzustand tp von ca. 1-2% von ti und fortlaufendem Wechsel dieses Zustands an, wobei während der Signaldauer des Ausschaltzustandes tp stets alle Schaltelemente E die LEDs I ausschalten und der Übergang von einer LED zur nächsten erfolgt.
  • Die Registerplätze SR1, SR2 ... SRN des Speicherregisters sind so belegt, dass zu einem definierten Zeitpunkt eine erste LED I mit der Stromquelle D verbunden und alle anderen LEDs I getrennt sind, wie beispielhaft in den Signalverläufen USR1 (t), USR2 (t) und USR3 (t) ersichtlich und an den zugehörigen Messstellen A1, A2 und A3 bestätigt. Während des Auszustands wird der Schaltzustand des ersten Registerplatzes SR1 auf den nächsten Registerplatz SR2 übertragen und der Inhalt des Registerplatzes SR1 auf null gesetzt. Im Ergebnis ist immer abwechselnd genau eine LED I eingeschaltet und alle anderen ausgeschaltet, dann wird eine andere ein- und erneut alle anderen ausgeschaltet. Dieser Ablauf wiederholt sich fortlaufend, bis jede der LEDs I einmal angeschaltet war und der Ablauf wieder von neuem beginnt.
  • Fig. 6 stellt einen Signalverlauf analog dem in Fig. 5 dar, aber auf den Impulsbetrieb der LEDs I der LED-Anordnung angewendet. Dementsprechend wird die LED-Anordnung mit einem vom LED-Hersteller spezifizierten Impulsbetriebsstrom gespeist, der höher ist als der Betriebsstrom (in Fig. 6 nicht dargestellt).
  • Zur Einstellung des genannten Verhältnisses des Ein- zum Ausschaltzustand wird der übergeordnete Takt des Taktgenerators G ebenfalls mit konstanter Signaldauer für den Einschaltzustand ti und den Ausschaltzustand tp eingestellt, wobei hier der Einschaltzustand ti deutlich kürzer ist als der Ausschaltzustand tp. Der übergeordnete Takt des Taktgenerators ist den Erfordernissen des Impulsbetriebes (nicht dargestellt) angepasst. Dementsprechend ergeben sich der dargestellte Signalverlauf UG (t) und die weiteren dargestellten Signalverläufe. Aus diesen ergeben sich wiederum die Schaltzustände, wie oben zu Fig. 5 beschrieben, jedoch mit kürzeren Schaltzeiten.
  • Durch die kürzeren Einschaltzeiten der LEDs (I) gegenüber der Darstellung in Fig. 5 ist es möglich, die LEDs I mit Impulsbetriebsstrom zu betreiben ohne die dynamische Verlustleistung der LEDs I und der anderen Bauelemente zu überschreiten, aber trotzdem eine höhere wahrgenommene Beleuchtungsstärke der LED-Anordnung zu erreichen, als wenn diese mit dem herstellerspezifischen Betriebsstrom der LEDs betrieben wird. Alternativ können wie oben beschrieben auch mehr als eine LED I gleichzeitig eingeschaltet sein.
  • Fig. 5 und 6 ist zu entnehmen, dass die einzelnen LEDs I nur mit sehr kurzen Einschaltzuständen betrieben werden, denen lange Ausschaltzustände folgen, die zur Erholung der beteiligten Bauelemente und auch zur Wärmeableitung dienen, Weiter ist ersichtlich, dass die Länge dieser Ausschaltzustände unmittelbar mit der Anzahl der in der Anordnung verwendeten LEDs I in Zusammenhang stehen. D. h. bei einer LED-Anordnung mit sechs LEDs I und einer eingeschalteten LED I wird jede der LEDs I erst wieder eingeschaltet nach dem alle übrigen fünf LEDs I ihre Ein- und Ausschaltzustände ebenfalls durchlaufen haben.
    • Bezugszeichenliste
    • A
    Stromversorgung
    B
    Steuereinheit
    D
    Stromquelle
    E
    Schaltelement
    F
    Steuerschaltung, Schieberegister, Laufzeitgenerator
    G
    Taktgenerator
    H
    Mikrocontroller
    I
    Leuchtdiode, LED, LED-Gruppe
    K
    Dekoder
    L
    Busdekoder
    SR1 ... SRn
    Registerplatz 1 ... n
    A1 ... An
    Messstelle am Ausgang des Schaltelements 1 ... n
    ti
    Signaldauer des Einschaltzustandes
    tp
    Signaldauer des Ausschaltzustandes
    tmos
    Signaldauer des an einer Messstelle gemessenen Signals

Claims (12)

  1. Verfahren zum Betrieb einer LED-Anordnung zur Beleuchtung, Hinterleuchtung, Bestrahlung oder Signalisation, welches zumindest zwei Leuchtdioden umfasst, nachfolgend als LEDs (I) bezeichnet, welche mittels einer Stromquelle (D) mit dem für die LEDs (I) vorgegebenen konstanten Strom versorgt und mit getakteten Steuersignalen betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, dass die LEDs (I) der LED-Anordnung über jeweils ein jeder LED (I) zugeordnetes Schaltelement (E) mit der Stromquelle (D) während eines Einschaltzustandes verbunden und während eines darauf folgenden Ausschaltzustandes wieder von der Stromquelle (D) getrennt werden, wobei deren Schaltelemente (E) mittels einer Steuerschaltung (F), die mit einer einheitlichen Taktfrequenz größer 100 Hz betrieben wird, derart aus- und eingeschaltet werden, dass stets nur ein Teil der LEDs (I) eingeschaltet ist und in zwei aufeinander folgenden Einschaltzuständen jeweils andere LEDs (I) eingeschaltet werden.
  2. Verfahren zum Betrieb einer LED-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (F) zumindest ein Schieberegister oder einen Laufzeitgenerator zur Steuerung der Schaltelemente (E) umfasst.
  3. Verfahren zum Betrieb einer LED-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere von parallel und/oder in Reihe geschalteten LEDs (I) zu einem Block zusammengefasst sind, deren Steuerung separat und unabhängig von der Steuerung der übrigen LEDs (I) erfolgt.
  4. Verfahren zum Betrieb einer LED-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Anordnung LEDs (I) unterschiedlicher Farbe umfasst und solche LEDs (I) über ihren Betriebsstrom und/oder die Anzahl ihren Einschaltzustände derart gesteuert sind, dass eine definierte Mischfarbe eingestellt ist.
  5. Verfahren zum Betrieb einer LED-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Einschaltzustand nur eine LED (I) eingeschaltet ist.
  6. Verfahren zum Betrieb einer LED-Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine solche Taktfrequenz eines Ein- und Ausschaltzustandes größer 100 Hz eingestellt wird, dass die Beleuchtungsstärke im getakteten Betrieb von jener im ungetakteten Betrieb mit dem für die LEDs (I) vorgegebenen charakteristischen Betriebsstrom um höchstens 5% abweicht.
  7. Verfahren zum Betrieb einer LED-Anordnung zur Beleuchtung, Hinterleuchtung, Bestrahlung oder Signalisation, welches zumindest eine Leuchtdiode umfasst, nachfolgend als LED (I) bezeichnet, welche mittels einer Stromquelle (D) mit dem für die LED (I) vorgegebenen konstanten Strom versorgt und mit getakteten Steuersignalen betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die LED (I) der LED-Anordnung über zumindest ein der LED (I) zugeordnetes Schaltelement (E) mit der Stromquelle (D) während eines Einschaltzustandes verbunden und während eines darauf folgenden Ausschaltzustandes wieder getrennt wird, wobei mittels einer Steuerschaltung (F) eine solche Taktfrequenz eines Ein- und Ausschaltzustandes größer 100 Hz eingestellt wird, dass die Beleuchtungsstärke im getakteten Betrieb von jener im ungetakteten Betrieb mit dem für die LED (I) vorgegebenen charakteristischen Betriebsstrom um höchstens 5% abweicht.
  8. Verfahren zum Betrieb einer LED-Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (F) einen Mikrocontroller (H) zur Steuerung des Schaltelements (E) oder der Schaltelemente (E) oder der Stromquelle (B) umfasst.
  9. Verfahren zum Betrieb einer LED-Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Anordnung mit Impulsbetriebsstrom betrieben wird, der größer ist als der für die LED (I) oder LEDs (I) charakteristischen Betriebsstrom.
  10. Verfahren zum Betrieb einer LED-Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Steuereinheit (B) die Steuerung aller Schaltelemente (E), der Stromquelle (D) oder der Steuerschaltung (F) oder mehrerer dieser Komponenten für jedes Schaltelement (E) gemeinsam oder separat aufgrund externer oder interner Parameter geändert wird.
  11. Verfahren zum Betrieb einer LED-Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Steuereinheit (B) der durch die Stromquelle (D) bereitgestellte Betriebsstrom modifiziert wird.
  12. Verfahren zum Betrieb einer LED-Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine LED (I) durch eine LED-Gruppe von mehreren in Reihe oder parallel geschalteten LEDs (I) ersetzt ist.
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