[0001] 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.
[0002] 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.
[0003] 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.
[0004] 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.
[0005] 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.
[0006] 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.
[0007] 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.
[0008] 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.
[0009] Mit einem Luxmeter wird die Beleuchtungsstärke gemessen, die die Menge des Lichtstroms
eines Leuchtmittels beschreibt, die auf eine Fläche trifft:

[0010] 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.
[0011] 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.
[0012] 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.
[0013] 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.
[0014] 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.
[0015] 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.
[0016] 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.
[0017] 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.
[0018] 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.
[0019] 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.
[0020] 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.
[0021] 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.
[0022] 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.
[0023] 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.
[0024] 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.
[0025] 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.
[0026] 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.
[0027] 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.
[0028] 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.
[0029] 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.
[0030] 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.
[0031] 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.
[0032] 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.
[0033] 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.
[0034] 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.
[0035] 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.
[0036] 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.
[0037] 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.
[0038] 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.
[0039] 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.
[0040] 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.
[0041] 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.
[0042] 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.
[0043] 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.
[0044] 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.
[0045] 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.
[0046] 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.
[0047] 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.
[0048] 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.
[0049] 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.
[0050] 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.
[0051] 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.
[0052] Es wird ein Typ von LEDs I mit folgenden Betriebsparametern zu Grunde gelegt:
Lichtstrom 100 lm
Betriebsstrom 350 mA
Spannung 3,4V
[0053] Im Dauerbetrieb ergibt sich folgende Energieeffizienz:
Aufgenommene Betriebsleistung: 6 * 350 mA * 3,4 V = 7,4 W


[0054] 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

[0055] Für LED-Anorndnung mit 16 weißen LEDs ergeben sich folgende Werte im Dauerbetrieb:
Aufgenommene Betriebsleistung: 16 * 350 mA * 3,4V = 19,04W

und nach erfindungsgemäßem Verfahren:
Aufgenommene Betriebsleistung: 350 mA * 3,4 V = 1,19 W

[0056] Mit steigender LED-Anzahl der LED-Anordnung ergibt sich im erfindungsgemäßen Betrieb
somit ein deutlicher Anstieg der Effizienz gegenüber einem Dauerbetrieb der LEDs.
[0057] 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.
[0058] 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.
[0059] 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.
[0060] 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.
[0061] 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.
[0062] 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.
[0063] 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.
[0064] 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.
[0065] 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 U
G (t) gibt die vom Taktgenerators G übergeordnete Taktung mit konstanter Signaldauer
für den Einschaltzustand t
i und einen sehr kurzen Ausschaltzustand t
p von ca. 1-2% von t
i 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.
[0066] 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 U
SR1 (t), U
SR2 (t) und U
SR3 (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.
[0067] 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).
[0068] Zur Einstellung des genannten Verhältnisses des Ein- zum Ausschaltzustand wird der
übergeordnete Takt des Taktgenerators G ebenfalls mit konstanter Signaldauer für den
Einschaltzustand t
i und den Ausschaltzustand t
p eingestellt, wobei hier der Einschaltzustand t
i deutlich kürzer ist als der Ausschaltzustand t
p. Der übergeordnete Takt des Taktgenerators ist den Erfordernissen des Impulsbetriebes
(nicht dargestellt) angepasst. Dementsprechend ergeben sich der dargestellte Signalverlauf
U
G (t) und die weiteren dargestellten Signalverläufe. Aus diesen ergeben sich wiederum
die Schaltzustände, wie oben zu Fig. 5 beschrieben, jedoch mit kürzeren Schaltzeiten.
[0069] 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.
[0070] 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
[0071]
- 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
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.