[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung gemäß dem jeweiligen Oberbegriff
der beiden Hauptansprüche.
[0002] Derartige Maßnahmen sind aus der
DE 10 2004 047 669 A1 (dort insbesondere in Zusammenhang mit Fig.3a und Fig.4b) bekannt. Danach werden
Lichtquellen in den drei Primärvalenzen (Grund- oder Primärfarben) rot, grün und blau,
periodisch gleichzeitig einsetzend, mit unabhängig voneinander einstellbaren Tastverhältnissen
bestromt und deren Farbabstrahlungen additiv gemischt. Bevorzugt werden Lichtquellen
wie Laser, Elektroluminiszenzelemente, organische LEDs oder insbesondere Halbleiter-Leuchtdioden
eingesetzt, da deren Helligkeiten etwa linear vom Tastverhältnis der Speisung mit
pulsweitenmodulierten Konstantstrompulsen abhängen. In der dort (Fig.6) skizzierten
CIE-Normfarbtafel, dem auch sogenannten Chromazitätsdiagramm, ist der resultierende
Mischlicht-Farbort darstellbar. Dieser Farbort ist demzufolge über wenigstens einen
der drei primärfarbigen Helligkeitsbeiträge verlagerbar. So ist jede Mischlichtfarbe
innerhalb eines der Normfarbtafel einbeschriebenen Farbdreieckes einstellbar, dessen
Eckpunkte durch die individuellen Farbabstrahlungen der zur Mischlichtbeleuchtung
eingesetzten drei primärfarbigen Lichtquellen gegeben sind.
[0003] Das innerhalb einer jeden Periode gleichzeitige Einschalten der drei Lichtquellen
kann allerdings eine erhebliche und deshalb unzulässige Impulsbelastung eines im Inselbetrieb
arbeitenden Netzes darstellen, wie insbesondere des Bordnetzes einer Luftverkehrsmaschine,
deren Passagierkabine mit etwa tageszeitabhängig variierenden Farbeindrücken ausgeleuchtet
werden soll. Deshalb muss am Ausgang eines aus dem Bordnetz gespeisten Konstantstrom-Netzteiles
für den Betrieb der Lichtquellen die verfügbare Energie mittels platzaufwendigen und
vergleichsweise schweren sowie kostspieligen Speichern, insbesondere Elektrolytkondensatoren,
gepuffert werden.
[0004] Deshalb liegt der Erfindung zunächst die technische Problemstellung zugrunde, den
schaltungstechnischen und apparativen Aufwand seitens der Leistungsversorgung für
die über pulsweitenmodulierbaren Konstantstromfluss intensitätssteuerbaren Lichtquellen
zu mindern.
[0005] Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit den in den Hauptansprüchen angegebenen wesentlichen
Merkmalen gelöst.
[0006] Danach erfolgt das zyklische pulsweitenmodulierte Einschalten der Konstantstrompulse
für die drei Primärfarben nicht mehr zeitgleich zu Beginn einer jeden Ansteuerungs-Periode,
sondern über die Gesamtdauer der jeweiligen Periode gegeneinander phasenversetzt nacheinander;
und insbesondere jeweils zu Perioden-Beginn mit variierender Rückflanke, in der Perioden-Mitte
mit synchron gegenläufig variierbaren Vorder- und Rückflanken und am Perioden-Ende
mit variierender Vorderflanke der Stromimpulse. Dieses zeitliche Verteilen des Einsetzens
der Ansteuerung der drei Lichtquellen und somit die sequentielle Verteilung der elektrischen
Gesamtbelastung über die jeweilige Ansteuerungsperiode vermeidet gegenüber der zeitparallelen
Ansteuerung eine extreme Impulsbelastung der Netzteil-Pufferung gerade zu Beginn einer
jeden Periode und verringert dadurch den Bedarf an im Netzteil zwischenzuspeichernder
Energie.
[0007] Die Gesamthelligkeit des resultierenden Mischfarbortes kann durch Verändern der Periodenlänge
unter Beibehalten der Tastverhältnisse (Verhältnis der Einschaltzeit eines Strompulses
zur Periodendauer) variieret werden; während über die einzelnen Tastverhältnisse selbst
die Intensität des jeweils einfarbigen Beitrags jeder der drei Primärfarben zum Mischlicht-Farbeindruck
variierbar und dadurch der Farbort der Mischlichtabstrahlung gezielt veränderbar ist.
[0008] Allerdings können solche zeitlich gegeneinander versetzten, zumal ohne gegenseitige
zeitliche Überlappungen in unterschiedlichen Längen aufeinanderfolgenden verschiedenfarbigen
Impulsbeleuchtungen physiologisch als störend empfunden werden. Denn die haben einen
das menschliche Auge störenden Farbtrennungseffekt zur Folge, so dass - zumal auf
einem vor einem Hintergrund bewegten Gegenstand - unter Umständen kein stabiler Farbort
aufscheint. Außerdem können die periodischen, unterschiedlich langen Farblichtabstrahlungen
irritierende Stroboskopeffekte insbesondere an dadurch intermittierend angestrahlten
periodisch bewegten Gegenständen hervorrufen; sowie Lichtschwebungserscheinungen,
wenn Gegenstände mit geringfügig voneinander abweichenden Frequenzen bestrahlt werden,
wie etwa von aus unsynchronisierten Netzen gespeisten Lichtquellen.
[0009] In Erkenntnis solcher besonderen Gegebenheiten liegt der Erfindung die zusätzliche
technische Problemstellung zugrunde, die physiologische Akzeptanz von Mehrfarben-Mischlichtbeleuchtung
mit über pulsweitenmodulierbare Lichtquellen-Bestromung einstellbaren Mischfarben
zu verbessern.
[0010] Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung werden deshalb die für die Farbmischung
(den Farbort) benutzten Primärfarben mit ihren aktuell vorgegebenen Tastverhältnissen
nun nicht nur innerhalb der jeweiligen Ansteuerungs-Periode gegeneinander versetzt
zeitlich nacheinander, sondern außerdem noch mit ihren gerade individuell vorgegebenen
Tastverhältnissen jeweils alle gleichzeitig eingeschaltet. Das bedeutet, dass stets
die zur Farbmischung verfügbaren (zwei oder vorzugsweise drei) Primärfarben gleichzeitig
und dabei innerhalb einer Periode phasenversetzt alternierend pulsweitenmoduliert
strahlen. Der dem Auge aus der periodischen Überlagerung der Primärfarbbeiträge erscheinende
Farbort wird also sowohl zeitlich sequentiell wie gleichzeitig auch zeitlich parallel
angesteuert, indem die in der periodischen Aufeinanderfolge momentan gerade nicht
angesteuerten Primärfarben über zusätzlich vorgesehene Lichtquellen mit ihren aktuell
identischen oder mit zur Farbkorrektur individuell angepassten Tastverhältnissen abgestrahlt
werden. Ansteuerungstechnisch kann das etwa als 3x3-RGB-Matrix veranschaulicht werden,
in der pro Spalte und pro Zeile jede der drei Primärfarben nur einmal vorkommt. Weil
die Mischfarbenbeleuchtung dadurch in jeder Periode dreimal nacheinander von verschiedenen
Lichtquellen erfolgt, resultiert daraus für da integrale Empfinden des menschlichen
Auges an sich die dreifache Abstrahlhelligkeit; weshalb die Bestromung der Lichtquellen
für den gleichen Mischfarben- und Helligkeitseindruck nun nur noch mit entsprechend
reduzierter Konstantstromstärke erfolgen muss, was die elektrischen Verluste und die
thermischen Beanspruchungen im Beleuchtungssystem spürbar reduziert.
[0011] Die Ausleuchtung muss sich aber nicht auf Mischlicht von nur den drei Primärfarben,
entsprechend der vorstehend eingeführten 3x3-Matrix, beschränken; die Matrix ist grundsätzlich
beliebig groß. So kann es in der Praxis von Interesse sein, den zwischen rot und grün
resultierenden gelben Bereich des Spektrums zu intensivieren, etwa um die Beleuchtung
besser an bestimmte dem Tageslauf entsprechende Lichteindrücke anzunähern, nämlich
durch zusätzliche gelb abstrahlende LEDs. Gegenüberliegend im Farbdreieck kann das
Spektrum durch LEDs aufgefüllt werden, deren Abstrahlung zwischen grün und blau liegt,
um etwa nächtliche Stimmungen zu fördern. Insbesondere etwa zum Aufhellen des jeweiligen
Farbortes ist es zweckmäßig, zusätzlich eine Lichtquelle für einen Beitrag von weißem
Licht (bevorzugt aus einer an sich blauen Lichtquelle, die aber infolge einer Phosphorbeschichtung
weiß abstrahlt) einzusetzen.
[0012] Zum Reduzieren des Verdrahtungsaufwandes ist es dann zweckmäßig, nicht jeder Lichtquelle
eine eigenständige Position in der Matrix einzuräumen, sondern z.B. immer zwei Lichtquellen
zusammenzufassen. Anstatt also beispielsweise eine Matrix aus 4x4 Lichtquellen spalten-
und zeilenmäßig anzusteuern, wird eine 2x2-Matrix aus je zwei Lichtquellen betrieben.
[0013] Zusätzliche Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus den weiteren
Ansprüchen und, auch hinsichtlich deren Vorteilen, aus nachstehender Beschreibung
von in der Zeichnung auf das Funktionswesentliche abstrahiert skizzierten bevorzugten
Realisierungsbeispielen zur Erfindung. In der Zeichnung zeigt:
- Fig.1
- Die Ansteuerung von Matrices aus jeweils 3x3 Lichtquellen für die drei Primärfar-
ben,
- Fig.2
- deren pulsweitengesteuerten Bestromungen unter Verlagerung des Farbortes in Zeitdiagrammen,
- Fig.3
- die Ansteuerung von Matrices aus 2x2 doppelten Lichtquellen, nämlich für einer- seits
zwei Primärfarben und andererseits die dritte Primärfarbe und Weißlichtab- strahlung,
sowie
- Fig.4
- deren pulsweitengesteuerten Bestromungen unter Beibehaltung des Farbortes in Zeitdiagrammen.
[0014] Für den Einsatz von drei Lichtquellen 11 (11 R, 11G, 11 B) zum additiven Erzeugen
von Mischlicht aus den drei Primärfarbe R (rot), G (grün) und B (blau) sind solche
Lichtquellen 11 gemäß Fig.1 für die elektrische Ansteuerung schaltungstechnisch in
Matrices 12 aus Spalten 13 und Zeilen 14 gruppiert. Das bedeutet aber nicht, dass
die einzelnen Lichtquellen 11 (vorzugsweise LEDs) tatsächlich in dieser quadratischen
Konfiguration installiert sein müssen - in der apparativen Praxis werden sie vielmehr
gewöhnlich zu Tripeln aus entsprechend phasenversetzt anzusteuernden jeweils drei
einzelnen Primärfarben-Lichtquellen 11 an dem gerade anzustrahlenden Ort zusammengefasst.
[0015] Für ihren Betrieb ist jede der Lichtquellen 11 ein- oder zweipolig über einen zugeordneten
der Stränge 15 eines Mehrleiterkabels 16 an ein Netzteil 17 angeschlossen. Dem folgt
gemäß Fig.1 ein Umschalter 18, über den in periodischer Folge die Spalten 13 einer
jeden Matrix 12 mit ihren Lichtquellen 11 bestromt werden. Pulsweitenmodulatoren 19
(19R, 19G, 19B) bestimmen bei der Bestromung einer jeden Spalte 13 individuell die
Einschaltzeiten (Tastverhältnisse "tau") ihrer verschiedenfarbigen Lichtquellen 11
(11 R, 11G, 11B).
[0016] In jeder Spalte 13 (13X, 13Y, 13Z) und in jeder Zeile 14 (14x, 14y, 14z) jeder Matrix
12 kommt jede Farbe der Lichtquellen 11 R, 11 G, 11 B nur einmal vor, nämlich wie
skizziert in gleicher relativer aber gegeneinander phasenversetzter Aufeinanderfolge.
Bei einer jeden der Matrices 12 werden die Lichtquellen 11 in den aufeinanderfolgenden
Spalten 13 zyklisch nacheinander bestromt. Auf diese Weise werden, wie in Fig.2 über
der Zeit t dargestellt, zwar die Primärfarben-Lichtquellen 11 R - 11 G - 11 B einer
Zeile 14 zeitsequentiell pulsweitengesteuert eingeschaltet; aber jeweils zeitgleich,
also parallel dazu, werden auch die jeweils anderen beiden der drei Primärfarben R,
G, B in der gerade bestromten Spalte 13 mit ihren aktuellen Tastverhältnissen aktiviert;
die entgegen der prinzipiellen Darstellung in Fig.2 aber auch für gleiche Primärfarben
untereinander unterschiedliche Tastverhältnisse aufweisen können. Jedenfalls ist dadurch
erreicht, dass nicht immer nur - gewissermaßen zeilenmäßig (14) - eine der Primärfarben
nacheinander aufstrahlt, sondern dass stets alle drei Primärfarben sich mit den Intensitäten
gemäß ihren momentanen Tastverhältnissen - gewissermaßen spaltenmäßig (13) - einander
überlagern und damit für den Eindruck des menschlichen Auges mischen. So wird Mischlicht
R-G-B zwar ständig zeitlich überlappend abgestrahlt, aber das Einsetzen der Abstrahlungen
aller Primärfarben R, G, B ist über die gesamte Periode P verteilt und dadurch eine
singuläre Impulsbelastung des Netzteiles 17 innerhalb der jeweiligen Periode P vermieden.
[0017] Wie im Zeitdiagramm der Fig.2 skizziert, wird in jeder Periode P bei der zuerst eingeschalteten
Primärfarbe die Lage der Rückflanke und bei der dritten Primärfarbe die Lage der Vorderflanke
für die Vorgabe des Tastverhältnisses zeitlich moduliert; während die dazwischen auftretende
zweite Farbe vorzugsweise symmetrisch zur Periodenmitte moduliert wird, wie in der
Periode P1 von Fig.2 durch die kleinen horizontalen Doppelpfeile angedeutet. Daraus
resultiert zwar, dass große Tastverhältnisse zu zeitlichen Überlappungen zweier der
drei Farbansteuerungen führen können, aber es verbleibt doch eine optimale Verteilung
des Energiebedarfes über der jeweiligen Periode P.
[0018] Beim Betriebsbeispiel gemäß Fig.2 wird in einer Periode P1 ein Farbort aus starkem
Rotanteil R, mittelintensivem Grünanteil G und schwachem Blauanteil B gemischt. Die
drei Primärlichtquellen 11 R, 11G du 11 B werden dazu (Zeile 14x) nacheinander entsprechend
lange eingeschaltet. Gleichzeitig werden gemäß den beiden anderen Zeilen 14y bzw.
14z jeweils die beiden anderen Primärfarben über ihre Tastverhältnisse zugeschaltet.
Diese Farbmischung tritt dadurch in der Periode P1 dreimal nacheinander auf, nämlich
im Interesse der Energieverteilung unter Umschaltung zwischen den Lichtquellen 11
(Fig.1).
[0019] In den Folgeperioden P2, P3, ... Pi wird dann bei diesem Realisierungsbeispiel der
Farbort in zwei Schritten (Perioden P2 => P3) über das Weißlicht (den Unbuntpunkt
im Farbdreieck) hinaus zum Grünen hin verschoben, indem die Blau- und vor allem Grünanteile
B und G infolge verlängerter Tastverhältnisse intensiviert werden; wohingegen der
Rotanteil R schrittweise zurückgenommen wird.
[0020] Für den Farbort, bei dem (nicht skizziert) die Beiträge aller drei Primärfarben R,
G, B in jeder der aufeinanderfolgenden Perioden Pi konstanter Länge übereinstimmen,
also mit gleichen Tastverhältnissen abgestrahlt werden, eliminiert sich der eingangs
erläuterte, physiologisch bedenkliche Farbtrennungseffekt völlig. Es verbleibt dann
lediglich der schwache, da subjektiv weit weniger auffallende, monochromatische Stroboskopeffekt
eines Hell-Dunkel-Musters.
[0021] Bei anderen Farborten (etwa gemäß Fig.2) eliminieren sich die Farbtrennungseffekte
nur teilweise, weil die Grundfarben in unterschiedlichen Intensitäten (Tastverhältnissen)
gemischt werden. Die bei der mehrfachen, da sowohl zeitlich versetzten wie auch zeitlich
überlappenden, Mischlichtabstrahlung gemäß vorliegender Erfindung, etwa nach Fig.2,
verbleibenden Farbeindrücke stören jedoch weniger, weil sie infolge höherer Frequenzen
nur noch zeitlich kürzer präsent sind.
[0022] Bei den Matrices 12 nach Fig.3 kommt zu den Primärfarben R, G und B noch eine Lichtquelle
11 für weiße Abstrahlung W hinzu. Das würde gemäß Fig.1 an sich die individuelle Ansteuerung
der Elemente (Lichtquellen 11) in 4x4-Matrices ergeben. Aus Aufwandsgründen werden
jedoch die vier Beiträge gemäß Fig.3 dadurch zu einer 2x2-Matrix 12 zusammengefasst,
dass an jeder ihrer Positionen zwei unterschiedliche Lichtquellen 11 gleichzeitig
angesteuert werden. Dadurch vermindert sich der Steuerungsaufwand, weil Einschaltvorgänge
in den Perioden-Mitten, also mit ihren symmetrischen Modulationen von Vorder- und
Rückflanken (vgl. Fig.2 vs. Fig.4) entfallen.
[0023] Noch spürbarer vermindert sich der Verdrahtungsaufwand, wenn die beiden gleichzeitig
betriebenen Lichtquellen 11 (entgegen Fig.4) auch noch jeweils übereinstimmende Tastverhältnisse
aufweisen dürfen und deshalb unmittelbar parallelgeschaltet betrieben werden können,
was allerdings zu einer - jedoch in der Praxis häufig noch tragbaren - Einschränkung
der damit erreichbaren Farborte führt.
[0024] Entscheidend ist, dass auch in dieser Konstellation wieder (Fig.4) die in einer jeden
Periode P nacheinander auftretenden Farbanteile zusätzlich auch gleichzeitig in dieser
Periode P bei anderen Lichtquellen angesteuert werden. Weil das die Helligkeit der
resultierenden Mischlichtbeleuchtung wieder, wie im Falle des Beispieles gemäß Fig.1
/ Fig.2, vervielfacht, kann der Betrieb der Lichtquellen 11 wieder prinzipiell vorteilhafterweise
mit reduzierter Konstantstromstärke erfolgen.
[0025] Um also bei der Ansteuerung von Mischlicht-Farborten einerseits dezidierte periodische
Belastungen eines ausgangsgepufferten Konstantstrom-Netzteiles 17 und andererseits
physiologische Belastungen aufgrund nur intermittierend aufscheinender Primärfarben
R, G, B zu vermeiden, werden erfindungsgemäß zusätzliche Primärfarben-Lichtquellen
11 R, 11 G, 11 B periodisch zeitversetzt ebenfalls, gegebenenfalls individuell, pulsweitenmoduliert
bestromt. Wenn zusätzliche Lichtquellen über die Primärfarben hinaus, wie z.B. Weißlicht-Lichtquellen
11W, eingesetzt werden sollen, werden die jedoch zweckmäßigerweise jeweils paarweise
gleichzeitig mit einer der Primärfarben-Lichtquellen 11R, 11G, 11 B, und deren beiden
anderen dagegen zeitversetzt ihrerseits paarweise gleichzeitig, angesteuert, vgl.
Fig.4.
Bezugszeichenliste
[0026]
- 11
- Lichtquellen (für R, G, B und gegebenenfalls W)
- 12
- Matrix (mit 11R+11G+11B sowie gegebenenfalls 11W) aus 13 und 14
- 13
- Spalten von 12
- 14
- Zeilen von 12
- 15
- Stränge von 16
- 16
- Mehrleiterkabel aus 15
- 17
- gepuffertes Netzteil
- 18
- Umschalter als Symbol für die periodische Ansteuerung
- 19
- Pulsweitenmodulator (für Tastverhältnisse "thau" von R, G, B und gegebenen- falls
W)
1. Verfahren zum periodischen Abstrahlen von Mischlichtfarben aus Primärfarben-Lichtquellen,
dadurch gekennzeichnet, dass Lichtquellen für wenigstens zwei unterschiedliche Primärfarben zeitlich gegeneinander
versetzt bestromt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu Lichtquellen für Primärfarben eine weitere Lichtquelle, etwa für Weißlicht,
bestromt wird.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen zu Anfang bzw. zu Ende einer jeden Periode mit variabler Rückflanke
bzw. mit variabler Vorderflanke bestromt werden.
4. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche, in der Periodenmitte bestromte Lichtquelle mit variablen Vorder-und/oder
Rückflanken, vorzugsweise symmetrisch zur Periodenmitte, bestromt wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit den periodisch zeitversetzt bestromten Lichtquellen jeweils zeitlich überlappend
wenigstens eine weitere Lichtquelle für gerade eine andere Primärfarbe oder gegebenenfalls
für zusätzliche Lichtabstrahlung, z.B. von weißem oder von gelbem Licht, bestromt
wird.
6. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Lichtquellen für die drei Primärfarben sowohl in periodischem Wechsel nacheinander
wie auch gleichzeitig bestromt werden.
7. Verfahren nach dem vorvorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Lichtquellen einerseits für zwei Primärfarben und andererseits für die dritte der
Primärfarben und für eine weitere Lichtfarbe, z.B. weiß, paarweise jeweils sowohl
periodisch zeitlich alternierend wie auch zeitlich überlappend bestromt werden.
8. Einrichtung zum Ausüben des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einem Perioden-Umschalter (18) und Pulsweitenmodulatoren (19) Primärfarben-Lichtquellen
(11 R, 11 G, 11 B) derart nachgeschaltet sind, dass wenigsten zwei der Lichtquellen
(11) für unterschiedliche der Primärfarben (R, G, B) aufeinanderfolgend und außerdem
noch jeweils gleichzeitig damit solche Lichtquellen (11) pulsweitenmoduliert bestromt
sind, deren Farbabstrahlung in der Aufeinanderfolge gerade nicht bestromt sind.
9. Einrichtung nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den mehrfachen Primärfarben-Lichtquellen (11R, 11G, 11 B) auch weitere
Farblichquellen, insbesondere Weißlicht-Lichtquellen (11W), vorgesehen sind.
10. Einrichtung nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass einerseits zwei Primärfarben-Lichtquellen (11) und andererseits die dritte Primärfarben-
und die Weißlicht-Lichtquellen (11) jeweils paarweise zusammengeschaltet sind.