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Die
Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung veränderlich
steuerbarer Lichtemission mit wenigstens einer Leuchtdioden-Lichtquelle
sowie ein Verfahren zum Steuern einer Beleuchtungseinrichtung.
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Leuchtdioden
kommen zunehmend auch in Scheinwerfern, insbesondere auch leistungsstarken Scheinwerfern
für Veranstaltungen, zum Einsatz und zeichnen sich durch
eine lange Lebensdauer aus. Durch die typische farbige Lichtemission
von Leuchtdioden eignen sich diese besonders für die Beleuchtung
mit farbigem Licht, wobei durch Überlagerung verschiedenfarbiger
Einzelemissionen Mischfarben, insbesondere auch weißes
Licht erzeugt werden können.
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Eine
Beleuchtungseinrichtung mit Leuchtdioden unterschiedlicher Farbemission
ist z. B. aus der
EP
1016062 B1 bekannt. Die verschiedenen Farbemissionen überlagern
sich zu einer Mischfarbe in der Gesamtemission, wobei die Mischfarbe
durch die relativen Anteile der unterschiedlichen Farbemissionen bestimmt
und durch verändern der Relationen zwischen den verschiedenen
Farbemissionen veränderbar ist. Die Gesamt-Helligkeit kann
bei gleichbleibender Mischfarbe durch gleichmäßige
Veränderung der Helligkeit der einzelnen Farbemissionen
unter Beibehaltung der Relationen veränderlich gesteuert
(gedimmt) werden. Die eine oder mehrere Leuchtdioden gleicher Farbemission
enthaltenden Lichtquellen sind gepulst betrieben und die Helligkeit
einer Lichtquelle ist durch das Tastverhältnis eines pulsweitenmodulierten
Steuersignals einstellbar, welches einen in Serie zu den Leuchtdioden
angeordneten Schalter ansteuert. Bekannt ist auch, ein pulsfrequenzmoduliertes
Steuersignal zu verwenden. Bei marktüblichen Scheinwerfern
solcher Bauart sind anstelle der Konstantspannungsquelle mit Serienschaltern
Schaltwandleranordnungen zu den einzelnen Lichtquellen eingesetzt,
welche pulsweitenmodulierte oder pulsfrequenzmodulierte Ausgangspulsfolgen
erzeugen, welche unmittelbar die Strom-Nutzpulse durch die Lichtquelle
bilden. Die Schaltwandleranordnungen besitzen einen hohen Wirkungsgrad
und sind typischerweise kurzschlussfest und besitzen einen hohen
Wirkungsgrad. Ein Scheinwerfer mit Schaltwandlern als gepulsten
Leistungsquellen mit veränderbarem Tastverhältnis
ist beispielsweise als Vary LED 3×84 der Anmelderin bekannt.
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Bei
solchen LED-Scheinwerfern ist zu beobachten, dass beim Ausdimmen,
d. h. einem Verringern der Gesamt-Helligkeit der Eindruck von Flackern
und/oder von Farbveränderungen entsteht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten unerwünschten
Eindrücke beim Ausdimmen solcher Scheinwerfer zu verringern
und hierfür eine helle Beleuchtungseinrichtung und ein
Verfahren zum Steuern von deren Lichtemission anzugeben.
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Erfindungsgemäße
Lösungen sind in den unabhängigen Ansprüchen
beschrieben. Die abhängigen Ansprüche enthalten
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
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Durch
den Verfahrensschritt der zeitlichen Beschneidung der Impulsenden
der durch die Lichtquelle fließenden Strom-Nutzpulse und
durch das dafür eingesetzte Schaltelement und das weitere Steuersignal
entsteht zwar ein Zusatzaufwand und teilweise auch elektrische Leistungsverluste,
wobei aber überraschenderweise wesentliche Vorteile in der
Lichtemission der Beleuchtungseinrichtung beim Ausdimmen erzielbar
sind.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die im wesentlichen
rechteckigen Ausgangspulse der elektrischen Leistungsquelle, welche
vorzugsweise in an sich gebräuchlicher Art als Schaltwandleranordnung
ausgeführt und häufig auch als Treiberstufe bezeichnet
ist, an ihrer fallenden Flanke am Impulsende noch in einen Ausschwingvorgang übergehen,
welcher bei bekannten Anordnungen entsprechende Stromanteile in
dem Strom-Nutzpuls durch die Lichtquelle und dabei auch einen Beitrag
zur Lichtemission der Lichtquelle bewirkt. Hinzu kommt, dass sich
die Ausschwingvorgänge als uneinheitlich und nicht von
Puls zu Puls konstant erweisen. Als Strom-Nutzpuls durch die Lichtquelle
seien alle Stromanteile eines Zyklus der zyklischen Pulsfolge durch die
Lichtquelle verstanden, welche einen Beitrag zur Lichtemission der
Lichtquelle bewirken. Als Ausgangspulse der Leistungsquelle seien
alle auf der Ausgangsseite der Leistungsquelle innerhalb eines Zyklus
als Strom und/oder Spannung auftretenden im wesentlichen rechteckig
pulsförmigen elektrischen Signale einschließlich
eventueller Ein- und/oder Ausschwingvorgänge verstanden.
Der durch den Ausschwingvorgang der Ausgangspulse bei den bekannten
Anordnungen in der Lichtquelle bewirkte Anteil an der Lichtemission
ist so gering, dass er bei Pulslängen, welche ein Vielfaches,
z. B. wenigstens das 200-fache eines Schalttaktes der Leistungsquelle
betragen, nicht durch das Auge wahrnehmbar ist. Bei einer pulsweitenmodulierten Ausgangspulsfolge
kann z. B. die maximale Pulslänge der Ausgangspulse entsprechend
der maximalen Lichtemission der Lichtquelle in der Größenordnung von
2.000 Schalttakten eines Schaltwandlers als Leistungsquelle liegen.
Bei gebräuchlichen Scheinwerfern mit zu kleineren Helligkeiten
beschränkten Dimmbereich fallen die beschriebenen nachteiligen Effekte
in der Regel nicht ins Gewicht.
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Bei
Verringerung der Pulslänge der Ausgangspulse einer pulsweitenmodulierten
Ausgangspulsfolge zur Verringerung der Helligkeit der Beleuchtungsanordnung
nimmt der relative Beitrag der auf dem Ausschwingvorgang beruhenden Lichtemission
an der Gesamtemission der Lichtquelle zu, so dass mit abnehmender
Pulslänge die Helligkeit nicht in linearer Abhängigkeit
von der Anzahl der Schalttakte innerhalb der Pulslänge
zurückgeht. Bei einer Beleuchtungseinrichtung mit mehreren
Lichtquellen unterschiedlicher Farbemissionen, typischerweise Farbemissionen
in rot, grün und blau, erscheint die Gesamt-Lichtemission
als eine Mischfarbe aus der Überlagerung der einzelnen
unterschiedlichen Farbemissionen. Die Mischfarbe hängt
von dem einstellbaren Verhältnis der Beiträge
der verschiedenen Farbemissionen zur Gesamt-Lichtemission, d. h.
den relativen Helligkeitsbeiträgen der einzelnen Farbemissionen
ab. Als eine Farbemission sei die Lichtemission der einer einzelnen
der verschiedenen Farben zugeordneten Lichtquelle oder gegebenenfalls
mehreren Lichtquellen gleicher Farbe verstanden.
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Die
durch das Verhältnis der Beiträge der einzelnen
Farbemissionen bestimmte Mischfarbe bleibt bei der Verringerung
der Gesamt-Lichtemission der Beleuchtungseinrichtung erhalten, solange das
Verhältnis der Beiträge der einzelnen Farbemissionen
gleich bleibt. Typischerweise sind die Beiträge der einzelnen
Farbemissionen und die Pulslängen der Ausgangspulse und
Nutzpulse bei den verschiedenfarbigen Lichtquellen unterschiedlich.
Dies hat bei Verringerung der Helligkeit der Gesamt-Lichtemission
durch in allen Farbemissionen proportionales Verringern der Pulslängen
zur Folge, dass bei der Farbemission mit dem geringsten Beitrag
entsprechend den kürzesten Nutzpulsen durch die entsprechende
Lichtquelle der durch den Ausschwingvorgang bewirkte zusätzliche
Anteil an betroffenen Farbemission früher als relevanter
Anteil in Erscheinung tritt als bei den Farbemissionen mit höherem
Beitrag zu der Gesamt-Lichtemission und sich dadurch das Verhältnis
der einzelnen Beiträge verändert und eine Änderung
der Mischfarbe auftritt.
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Durch
die Erfindung kann eine Übertragung eines Ausschwingvorgangs
im Ausgangspuls der Leistungsquelle auf die Lichtemission einer
zugeordneten Lichtquelle unterbunden und somit der durch den Ausschwingvorgang
bewirkte zusätzliche Anteil in der Farbemission vermieden
werden. Hierdurch ergibt sich bei Beleuchtungseinrichtungen mit
durch Überlagerung mehrerer verschiedener Farbemissionen
eine stark verbesserte Farbtreue der Gesamt-Lichtemission beim Ausdimmen.
Bei einfarbigen Beleuchtungseinrichtungen ergibt sich gleichfalls eine
Verbesserung durch Wegfall eines durch die Uneinheitlichkeit der
Ausschwingvorgänge verursachten störenden Effekts.
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Die
zeitliche Beschneidung der Pulsenden der Nutzpulse durch eine Lichtquelle
ist auch von besonderem Vorteil in Beleuchtungseinrichtungen, bei welchen
die Pulslänge der Ausgangspulse der Leistungsquelle nicht
oder nicht mit ausreichender Genauigkeit beliebig verändert
werden kann und beispielsweise nur in Schritten von der Länge
eines Schalttaktes einer getakteten Leistungsquelle veränderbar
ist. Eine nur schrittweise Veränderung führt in dem
bereits beschriebenen Beispiel einer Gesamt-Lichtemission mit unterschiedlich
großen Beiträgen verschiedener Farbemissionen
dazu, dass die schrittweise Verkürzung der Pulslänge
einer Farbemission mit höherem Beitrag dem Betrachter quasi kontinuierlich
erscheint, die Schritte in der kürzeren Pulslänge
der Farbemission mit dem niedrigen Beitrag aber relativ größer
sind, so dass sich die Farbrelationen ständig verändern,
was als Farbflackern in Erscheinung treten kann. Auch bei Beleuchtungseinrichtungen
mit Lichtquellen nur einer Farbemission, welche auch durch bestimmte
LED-Typen weiß als Mischfarbe gleichbleibender Zusammensetzung
sein kann. Eine Erhöhung des Schalttaktes der Leistungsquelle
und damit eine Verkürzung der Schrittlänge ist unter
Berücksichtigung der benötigten elektrischen Ausgangsleistung
und der mit zunehmender Taktfrequenz aufwändiger werdenden
Maßnahmen zur Unterdrückung elektromagnetischer
Abstrahlung nur begrenzt möglich.
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Die
Erfindung ermöglicht vorteilhafterweise gegenüber
den Schrittweiten im Ausgangssignal der Leistungsquelle zeitlich
wesentlich feiner und mit hoher Genauigkeit einstellbare Pulslängen
der Nutzpulse, so dass eine dem Betrachter als quasi kontinuierlich
erscheinende Verringerung der Gesamt-Lichtemission bis zu sehr geringen
Helligkeiten möglich ist, wobei bei Mischfarben der Gesamt-Lichtemission auch
bei stark unterschiedlichen Beiträgen verschiedener Farbemissionen
bis zu sehr geringen Helligkeiten erhalten bleiben. Ferner sind
gezielte Farbveränderungen der Mischfarbe auch bei stark
verschiedenen Beiträgen einzelner unterschiedlicher Farbemissionen
ohne für den Betrachter wahrnehmbare Farbschwankungen durchführbar.
Die mit hoher Genauigkeit und kontinuierlich oder in sehr kleinen
Schrittweiten quasi kontinuierlich einstellbare Pulslänge
der Nutzpulse ist insbesondere auch von Vorteil bei Beleuchtungseinrichtungen
mit nicht veränderbarer Farbe der Gesamt-Lichtemission,
worunter auch weiß verstanden sein soll, wobei durch die
erfindungsgemäßen Maßnahmen auch bei
schrittweiser Veränderung der Pulslänge der Nutzpulse
durch die von dem Schalttakt der Leistungsquelle getrennt und insbesondere
sehr kurz wählbare Schrittweite in dem weiteren Steuersignal
die Helligkeit ohne erkennbare Helligkeitssprünge bis auf
Null oder annähernd Null ausgedimmt werden kann.
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Die
für das Ausdimmen einer Beleuchtungseinrichtung, d. h.
das allmähliche Verringern deren Helligkeit geschilderten
Effekte treten in entsprechender Weise auch beim allmählichen
Erhöhen der Helligkeit von sehr kleinen Helligkeitswerten
aus auf.
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Das
Schaltelement kann beispielsweise als Serienschalter in den den
Ausgang der Leistungsquelle und die Lichtquelle enthaltenden Stromkreis eingefügt
werden und beim Übergang in den ersten Schaltzustand öffnen,
d. h. den Stromkreis unterbrechen. In einem zweiten Schaltzustand
ist das Schaltelement geschlossen und gibt den Strompfad vom Ausgang
der Leistungsquelle zu der Lichtquelle niederohmig frei. Bevorzugt
ist, insbesondere in Verbindung mit einer induktiven Schaltwandleranordnung
in der Leistungsquelle, eine Ausführung, bei welcher das
Schaltelement parallel zum Ausgang der Leistungsquelle und zu der
Lichtquelle in einem Parallelstrompfad liegt und beim Übergang
in den ersten Schaltungszustand schließt und den Parallelstrompfad
niederohmig macht, wodurch der Ausgang der Leistungsquelle und der
Strompfad durch die Lichtquelle kurzgeschlossen werden und ein Ausgangsstrom
der Leistungsquelle durch den Parallelstrompfad mit dem Schaltelement
fließt. In einem zweiten Schaltzustand, welchen das Schaltelement
während der Dauer der Nutzpulse einnimmt ist das Schaltelement
gesperrt und der Parallelstrompfad hochohmig und der Ausgangsstrom
der Leistungsquelle fließt im wesentlichen vollständig
als Nutzstrom durch die Lichtquelle und bewirkt die Emission von
Lichtpulsen.
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Das
Schaltelement ist in bevorzugter Ausführung ein Transistor,
insbesondere ein Feldeffekttransistor. Als Steuersignal sei das
an der Steuerelektrode des Transistors anliegende Signal bezeichnet.
Die Pulsfolgefrequenz der Ausgangspulse und der Nutzpulse beträgt
in an sich gebräuchlicher Weise vorteilhafterweise mehr
als 50 Hz, insbesondere wenigstens 100 Hz. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen
ist die Schrittzahlauflösung der Pulslänge der
Nutzpulse nicht an das Verhältnis der minimalen Pulslänge
der Ausgangspulse zur Zyklusdauer der Pulsfolge der getakteten Leistungspulse
gebunden, so dass die Obergrenze der Pulswiederholfrequenz nicht
besonders kritisch ist. Vorteilhafterweise liegt die Pulswiederholfrequenz
bei höchstens 400 Hz. Die kleinste Schrittweite der Veränderung
der Pulslänge, welche primär durch das weitere
Steuersignal bestimmt ist, ist vorteilhafterweise kleiner als 500
ns, insbesondere kleiner als 200 ns, vorzugsweise kleiner als 100
ns.
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Das
weitere Steuersignal ist vorzugsweise ein zwischen zwei Signalzuständen
umschaltbares, im wesentlichen rechteckförmiges Signal
mit vorteilhafterweise steilen Signalflanken, wobei ein erster Signalzustand
das Schaltelement in den ersten Schaltzustand versetzt und in diesem
hält und ein zweiter Signalzustand das Schaltelement in
den zweiten Schaltzustand versetzt und in diesem hält.
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Die
Erfindung des weiteren Steuersignals für das Schaltelement
ist auf verschiedene dem Fachmann an sich geläufige Arten
möglich. So kann beispielsweise ein Steuersignal durch
Vorgabe eines binären Zahlenwerts aus einem mit konstantem
Zählertakt betriebenen Zähler gewonnen werden.
In anderer vorteilhafter Ausführung kann durch Vorgabe eines
analogen Spannungswerts ein Steuersignal durch Vergleich des Spannungswerts
mit einem Rampensignal in einen Komparator gewonnen werden.
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Unter
der Steuereinrichtung sei die Gesamtheit der Komponenten der Beleuchtungseinrichtung verstanden,
welche zur Ableitung des ersten und des weiteren Steuersignals aus
dem Eingangssignal dienen. Insbesondere ist die Steuereinrichtung
nicht notwendigerweise als eine körperliche Einheit zu
verstehen und kann mit verschiedenen Komponenten verteilt angeordnet
sein. Beispielsweise können Komponenten der Steuereinrichtung
auch in die Schaltwandleranordnung integriert sein und auch aus
dieser heraus ein weiteres Steuersignal für das Schaltelement
generieren. Verschiedene Komponenten der Steuereinrichtung können
in getrennten integrierten Schaltkreisen enthalten sein.
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Eine
zeitliche Beschneidung des Pulsendes der Nutzpulse gegenüber
den Ausgangspulsen kann auf einen Teil-Helligkeitsbereich des von
ausgeschaltetem Zustand bis zur maximalen Helligkeit einer Lichtquelle
reichenden Gesamt- Helligkeitsbereichs einer Lichtquelle beschränkt
sein, wobei ein solcher Teil-Helligkeitsbereich insbesondere geringe
Helligkeitswerte erfasst.
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Der
Zeitpunkt des Übergangs des Schaltelements in den ersten
Schaltzustand sei entsprechend der damit verbundenen Wirkung, die
weitere Beaufschlagung der Lichtquelle mit Strom durch einen eventuell
noch nicht beendeten Ausgangspuls einschließlich eines
Ausschwingvorgangs zu unterbinden, als Ausschaltzeitpunkt bezeichnet.
Der Wechsel von dem ersten in den zweiten Schaltzustand des Schaltelements
sei als Einschaltzeitpunkt bezeichnet, wenngleich damit nicht zwingend
die Beaufschlagung der Lichtquelle mit Strom aus der Leistungsquelle
verbunden ist.
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Die
Pulsdauer des Ausgangspulses der Leistungsquelle kann einen ersten
Minimalwert besitzen, der bei einer getakteten Leistungsquelle beispielsweise
wenigstens eine Taktperiode, insbesondere wenigstens zwei Taktperioden,
vorzugsweise wenigstens vier Taktperioden betragen kann. Die Pulsdauer
des Nutzpulses besitzt einen zweiten Minimalwert, welcher dann vorteilhafterweise
kleiner als der erste Minimalwert ist und vorzugsweise weniger als 20%,
insbesondere weniger als 10% des ersten Minimalwerts beträgt.
Der zweite Minimalwert des Nutzpulses beträgt vorteilhafterweise
weniger als 500 ns, insbesondere weniger als 200 ns, vorzugsweise
weniger als 100 ns.
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Der
Ausschaltzeitpunkt liegt zumindest in einem ersten unteren Helligkeitsbereich
der Lichtquelle vorteilhafterweise zeitlich nicht hinter der abfallenden Flanke
des Ausgangspulses der Leistungsquelle oder zumindest um höchstens
20%, insbesondere höchstens 10%, vorzugsweise höchstens
5% gegen die fallende Flanke des Ausgangspulses versetzt. Die obere
Grenze eines solchen, vorzugsweise von der kürzesten möglichen
Nutzpulslänge aus beginnenden ersten unteren Helligkeitsbereichs
einer Lichtquelle liegt vorteilhafter weise bei wenigstens dem 5-fachen,
insbesondere wenigstens dem 10-fachen, vorzugsweise wenigstens dem
20-fachen einer Taktperiode einer getakteten Leistungsquelle. In
hohen Helligkeitsbereichen der Lichtquelle, in welchem der Beitrag
des Aussschwingvorgangs bezogen auf die Leistung des Nutzpulses
vernachlässigbar gering ist, kann die Verzögerung
des Abschaltzeitpunkts auch größer sei oder der Übergang
des Schaltelements in dem ersten Zustand auch ganz entfallen und
die Lichtquelle in herkömmlicher Art betrieben sein. Vorzugsweise
erfolgt die Beschneidung des Pulsendes des Ausgangspulses über
den gesamten Helligkeitsbereich der Lichtquellen bzw. der Beleuchtungseinrichtung.
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Die
zeitliche Lage des Einschaltzeitpunkts relativ zu dem Ausgangspuls
ist wenig kritisch, da beim Einschalten der getakteten Leistungsquelle
typischerweise keine zu den Ausschwingvorgängen analoge
Einschwingvorgänge in störendem Maß auftreten.
Der Einschaltzeitpunkt kann daher vorteilhafterweise mit der ansteigenden
Flanke des Ausgangspulses zeitlich im wesentlichen zusammenfallen,
so dass ein die ansteigende Flanke des Ausgangspulses zeitlich bestimmendes
erstes Steuersignal und der Einschaltzeitpunkt des weiteren Steuersignals vorteilhafterweise
zusammenfallen können. Insbesondere wenn die ansteigende
Flanke des Ausgangspulses nicht oder nur mit höherem Aufwand
mit dem Einschaltzeitpunkt synchronisierbar und die Nutzpulslänge
kurz, insbesondere kürzer als eine Taktperiode der getakteten
Leistungsquelle ist, kann es von Vorteil sein, den Anfang des Ausgangspulses zeitlich
vor den Einschaltzeitpunkt bzw. den Einschaltzeitpunkt zeitlich
hinter den Anfang des Ausgangspulses zu legen, um Einschaltzeitpunkt
und Ausschaltzeitpunkt innerhalb der Dauer des Ausgangspulses zu
legen und eine exakte Nutzpulslänge als Zeitdifferenz zwischen
Einschaltzeitpunkt und Ausschaltzeitpunkt zu erreichen. Auch bei
Auftreten von Einschwingvorgängen uneinheitlichen Ausma ßes
und/oder nennenswerten Beitrags zur Lichtemission einer Lichtquelle
kann die Beschneidung der ansteigenden Flanke von Vorteil sein.
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Die
Erfindung ist nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschaulicht. Dabei
zeigt:
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1 einen
schematischen Aufbau einer Beleuchtungseinrichtung,
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2 eine
Variante zu 1,
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3 Pulsdiagramme
zu herkömmlichen Beleuchtungseinrichtungen,
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4 einen
Vergleich von Pulsdiagrammen,
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5 eine
erste Ausführung von Steuersignalen,
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6 eine
zweite Ausführung von Steuersignalen.
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In 1 ist
schematisch der Aufbau einer Beleuchtungseinrichtung mit für
das Verständnis der Erfindung wesentlichen Komponenten
dargestellt. Die Beleuchtungseinheit enthalte drei Lichtquellen QA,
QB, QC mit Leuchtdioden unterschiedlicher Farbemission, beispielsweise
rot, grün und blau. Die einzelnen Lichtquellen enthalten
typischerweise eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Leuchtdioden.
Zu einer Farbemission können mehrere solche Serienschaltungen
vorgesehen sein.
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Jeder
der Lichtquellen QA, QB, QC ist eine eigene elektrische Leistungsquelle
in Form von Schaltwandleranordnungen WA bzw. WB bzw. WC zugeordnet,
an deren Ausgänge AA, AB, AC die jeweiligen Lichtquellen
elektrisch angeschlossen sind. Die Schaltwandleranordnungen WA,
WB, WC beziehen ihre elektrische Eingangsleistung typischerweise aus
einer gemeinsamen Gleichspannungsquelle, oder auch direkt aus einer
gleichgerichteten Wechselspannung, insbesondere auch einer Netzspannung
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Die
Schaltwandleranordnungen WA, WB, WC sind durch eine Steuereinrichtung
ST mit Steuersignalen SA bzw. SB bzw. SC ansteuerbar und zur pulsförmigen
Abgabe von elektrischer Ausgangsleistung an ihren Ausgangsanschlüssen
anregbar. Die Schaltwandleranordnungen geben während ihres durch
die Steuereinrichtung ST über die ersten Steuersignale
angeregten pulsförmigen Betriebs Ausgangspulse ab, welche
zu der Schaltwandleranordnung WA in 1 mit AP
repräsentiert seien. Diese Ausgangspulse AP bewirken Strom-Nutzpulse,
welche in 1 durch das Bezugszeichen NP
repräsentiert seien, durch die jeweils zugeordnete Lichtquelle.
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Die
Steuereinrichtung SE erhält als Eingangssignale eine Farbinformation
EF und eine Helligkeitsinformation EH, welche vorzugsweise als Digitalwerte
vorgegeben sind und auf verschiedene, an sich bekannte Art codiert
sein können, insbesondere auch in einem Signal zusammengefasst
sein können Die Farbinformation kann auch implizit durch
das Verhältnis getrennter Helligkeitsinformationen zu den einzelnen
Farbemissionen vorliegen.
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Beleuchtungseinrichtungen
der bis dahin geschilderten Art sind prinzipiell bekannt und gebräuchlich. 3 zeigt
hierzu Pulsdiagramme für unterschiedliche Längen
der durch die ersten Steuersignale vorgegebenen Ausgangspulse AP,
wobei in 3(A) ein kurzer Ausgangspuls
APL mit einer Pulslänge von ca. 2 μs zwischen
einer ansteigenden Pulsflanke EF zu einem Pulsanfangszeitpunkt PEL und
einer abfallenden Pulsflanke AF zu einem Pulsendzeitpunkt PAL dar gestellt
ist. Aufgetragen ist die Spannung zwischen den Ausgangsanschlüssen
z. B. AA der Schaltwandleranordnung WA. 3(A) zeigt anschaulich,
dass dem Ausgangspuls APL nach der fallenden Flanke AF zum Zeitpunkt
PAL noch ein Ausschwingvorgang SW folgt, welcher auch nach Abschalten
der Schaltwandleranordnung noch zu Teilströmen durch die
angeschlossene Lichtquelle führt, wobei der Beitrag des
Ausschwingvorgangs zur Lichtemission gegenüber der Lichtemission
während des Ausgangspulses APL nicht vernachlässigbar
ist.
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Bei
längeren Ausgangspulsen, wofür in 3(B) ein
Ausgangspuls mittlerer Länge von ca. 60 μs dargestellt
ist, ist der Beitrag des Ausschwingvorganges SW gegenüber
der während des Ausgangspulses APM erfolgten Lichtemission
der Lichtquelle bereits sehr gering. Eine sich an den Ausschwingvorgang
anschließende langsam fallende Spannungsflanke SL bewirkt
keine Lichtemission in den Dioden und ist auf andere Effekte zurückzuführen.
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Bei
nochmals deutlich vergrößerter Pulslänge
wie beispielsweise 8 ms bei einem langen Puls APH, wie in 3(C) dargestellt, ist der Beitrag der durch
den Ausschwingvorgang SW bewirkten Lichtemission gegenüber
der gesamten Lichtemission während der Dauer des Ausgangspulses
APH bedeutungslos.
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In 1 sind
ferner Schaltelemente TA, TB, TC eingezeichnet, welche jeweils mit
den Ausgängen AA, AB, AC und den Lichtquellen QA, QB, QC
verbunden sind und in Parallelstrompfaden zu den Lichtquellen bzw.
den Ausgangsanschlüssen der Schaltwandleranordnungen liegen.
Die Schaltelemente TA, TB, TC sind durch weitere Steuersignale ZA,
ZB, ZC der Steuereinrichtung ST ansteuerbar, wobei je nach Signalzustand
der weiteren Steuersignale ZA, ZB, ZC das jeweilige Schaltelement
den Parallelstrompfad auftrennt oder schließt. Im skizzierten
Beispiel sei das Schaltelement in einem Ruhezustand als geöffnet angenommen,
so dass der Parallelstrompfad aufgetrennt ist. Bei geschlossenem
Schaltelement ist der Ausgang der jeweiligen Schaltwandleranordnung kurzgeschlossen
und ein eventuell am Schaltwandlerausgang noch abgegebener Strom
fließt im wesentlichen ausschließlich über
das Schaltelement, so dass dieses in geschlossenem Zustand eine
Lichtabstrahlung durch die Lichtquelle unterbindet.
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Um
die elektrische Ausgangsleistung der Schaltwandleranordnung während
eines Ausgangspulses oder eines Teils des Ausgangspulses als Nutzpuls
durch die Lichtquelle wirksam werden zu lassen, ist daher das jeweilige
Schaltelement in einen geöffneten Zustand, welcher als
zweiter Schaltzustand des Schaltelements bezeichnet sei, sei zu
versetzen und in diesem für die Dauer des Nutzpulses zu
halten, wofür die Steuereinrichtung ein Steuersignal an
das jeweilige Schaltelement in einem zweiten Signalzustand bereit
stellt. Um das Schaltelement in einen ersten Schaltzustand zu versetzen,
in welchem das Schaltelement geschlossen und der Ausgang der jeweiligen
Schaltwandleranordnung damit kurzgeschlossen ist, versetzt die Steuereinrichtung
das an dem Schaltelement anliegende weitere Steuersignal in einen
ersten Signalzustand, welcher dem geschlossenen, ersten Schaltzustand
des Schaltelements entspricht. Sofern am Ausgang der Schaltwandleranordnung
noch elektrische Leistung abgegeben wird, fließt ein entsprechender
Kurzschlussstrom durch das Schaltelement. Das Schaltelement sei
in geschlossenem Zustand so niederohmig, dass der Spannungsabfall
am Schaltelement vernachlässigbar gering sei gegenüber
der Betriebsspannung der Lichtquelle, so dass die Anschlüsse
der Lichtquelle praktisch spannungsfrei sind und kein eine Lichtemission
bewirkender Strom durch die Lichtquelle fließen kann. Insbesondere
kann auf diese Weise ein Beitrag eines in 3(A) im
Detail dargestellten Ausschwingvorgangs zur Gesamt-Lichtemission
eines Ausgangspulses bzw. eines durch diesen bewirkten Nutzpulses
vermieden werden.
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In 4 sind
zwei Pulsdiagramme gegenüber gestellt, wobei in 4A das Pulsdiagramm nach 3(A) für
einen kurzen Ausgangspuls APL dargestellt ist, welcher durch ein
erstes Steuersignal, beispielsweise das Steuersignal SA für
die Schaltwandleranordnung WA zwischen einer ansteigenden Flanke
EF zu einem Pulsanfangszeitpunkt PEL und einer fallenden Flanke
AF zu einem Pulsendezeitpunkt PAL liegt und an welchen sich der
Ausschwingvorgang SW, welcher wie geschildert einen eigenen Beitrag
zur Lichtemission liefert, anschließt.
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In 4(B) ist die Form eines Nutzpulses NPL
als Spannung am Eingang einer Lichtquelle mit einem Parallelstrompfad
mit einem Schaltelement dargestellt. Ein weiteres, auf das Schaltelement
in dem Parallelstrompfad einwirkendes weiteres Steuersignal, beispielsweise
das weitere Steuersignal ZA für das Schaltelement TA in 1 werde
zu einem Einschaltzeitpunkt EZL, welcher mit dem Pulsanfangszeitpunkt
PEL des Ausgangspulses zusammen gelegt sei, in den zweiten Schaltzustand
versetzt, so dass das Schaltelement den zweiten, geöffneten Schaltzustand
einnimmt und ein Strom durch den Ausgang der Schaltwandleranordnung
WA auch als Nutzpuls durch die Lichtquelle QA bzw. die Ausgangsanschlüsse
der Wandleranordnung WA fließt. Zu einem Abschaltzeitpunkt
PAL, welcher mit dem Pulsendezeitpunkt AZL des Ausgangspulses zusammen
falle, wird das weitere Steuersignal ZA in den ersten Signalzustand
umgeschaltet und das Schaltelement TA geht in den ersten, geschlossenen
Schaltzustand über, wodurch die Anschlüsse der
Lichtquelle QA kurzgeschlossen werden und die den Abszissenwert
des Diagramms nach 4B bildende Spannung
zwischen den Anschlüssen der Lichtquelle QA zusammenbricht,
so dass kein weiterer Strom durch die Lichtquelle fließt.
Ein eventuell stattfindender Ausschwingvorgang tritt allenfalls
in Form eines gegebenenfalls oszillierenden Kurzschlussstroms durch
das im geschlossenen Zustand verhar rende Schaltelement TA auf. Das
Schaltelement TA wird zu Beginn des Ausgangspulses des nächsten
Zyklus der zyklischen Pulsfolge wieder in den zweiten, geöffneten
Schaltzustand versetzt.
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Mittels
der Schaltelemente kann somit auf einfache Weise eine definierte
Pulslänge und damit eine definierte Lichtmenge eines Nutzpulses
eingestellt werden, wobei der Ausschaltzeitpunkt AZL vorteilhafterweise
nicht oder allenfalls um ein geringes Maß zeitlich gegen
den Pulsendezeitpunkt PAL des Ausgangspulses APL versetzt ist.
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Für
jede der mehreren verschiedenfarbigen Lichtquellen QA, QB QC werden
die weiteren Steuersignale ZA, ZB, ZC getrennt erzeugt, so dass
beliebige Nutzpulslängen zu den einzelnen Farbemissionen eingestellt
werden können. Vorzugsweise werden für eine einfache
Generierung der zweiten Steuersignale der Einschaltzeitpunkt EZL
mit dem Pulsanfangszeitpunkt PEL und der Ausschaltzeitpunkt AZL
mit dem Pulsendezeitpunkt PAL zusammen gelegt, so dass beide Signale
dieselbe Pulsform und Pulslänge besitzen.
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In 5 ist
dies in Form von Diagrammen für ein erstes Steuersignal
SA und ein weiteres Steuersignal ZA dargestellt. Das erste Steuersignal
SA zur Ansteuerung der Schaltwandleranordnung sei binär zwischen
zwei Zuständen L und H umschaltbar. Ausgehend von einem
Signalzustand L, welcher einem inaktiven Betriebszustand der Schaltwandleranordnung
entspricht, wird das erste Steuersignal SA zu einem Pulsanfangszeitpunkt
PEn eines Zyklus n in den Signalzustand H versetzt, wodurch die
Schaltwandleranordnung den aktiven Betrieb aufnimmt und Ausgangsleistung
an ihrem Ausgang bereitstellt. Für die Zeitdauer eines
Ausgangspulses AP wird der Signalzustand H beibehalten und die Schaltwandleranordnung
stellt fortlaufend elektrische Ausgangsleistung an ihrem Ausgang
bereit. Zu einem Pulsendezeitpunkt PAn wird das er ste Steuersignal
SA wieder in den Signalzustand L zurückversetzt und die
Schaltwandleranordnung dadurch wieder deaktiviert und in dem inaktiven
Zustand bis zum nächsten Zyklus gehalten. Die Zyklusdauer
ist mit TZ bezeichnet. Die Zyklusdauer TZ ist typischerweise bei
Pulsweitenmodulation der Pulsfolge konstant und die Dauer der Ausgangspulse
AP ist variabel, was durch die Doppelpfeile an den Pulsflanken des
ersten Steuersignals SA zu den Pulsendezeitpunkten PAn, PAn + 1
symbolisiert ist. Ein weiteres Steuersignal ZA zur Ansteuerung des
Schaltelements TA ist in dem unteren Diagramm der 5 eingezeichnet.
Das weitere Steuersignal ZA sei zwischen einem ersten Signalzustand
I und einem zweiten Signalzustand II umschaltbar. Ausgehend von
einem Signalzustand II wird zum Einschaltzeitpunkt EZn das weitere
Steuersignal umgeschaltet in seinen ersten Signalzustand I und in
diesem gehalten bis zum Ausschaltzeitpunkt AZn, in welchem das weitere
Steuersignal wieder in den zweiten Signalzustand versetzt wird.
Der Einschaltzeitpunkt EZn fällt zeitlich mit dem Pulsanfangszeitpunkt
PEn zusammen, der Ausschaltzeitpunkt AZn fällt zeitlich
mit dem Pulsendezeitpunkt PAn zusammen, so dass die Länge
des Nutzpulses NP mit der Länge des Ausgangspulses AP übereinstimmt.
Zu Beginn des nächsten Zyklus wird das weitere Steuersignal
ZA wieder in seinen ersten Signalzustand I zum Zeitpunkt EZn + 1
umgeschaltet. Die Abschaltzeitpunkte AZ des weiteren Steuersignals
sind gleichfalls relativ zu den Einschaltzeitpunkten zeitlich verschiebbar,
so dass unterschiedliche Nutzpulslängen realisierbar sind.
Die Veränderung der Nutzpulslänge erfolgt dabei
in dem skizzierten vorteilhaften Beispiel synchron zur Veränderung
der Ausgangspulslänge. Hierdurch kann auf besonders einfache Weise
das weitere Steuersignal ZA aus dem ersten Steuersignal SA durch
Invertieren abgeleitet werden.
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2 zeigt
eine zu 1 analoge Darstellung einer
Beleuchtungseinrichtung, bei welcher aber nur eine Lichtquelle einheitlicher
Farbemission, welche auch eine weiß abstrahlende Lichtquelle
sein kann, vorgesehen ist. Dementspre chend ist auch lediglich eine
Schaltwandleranordnung WE und ein Schaltelement TE vorgesehen und
die Steuereinrichtung STE empfängt als Eingangssignal lediglich
eine Helligkeitsinformation EH.
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In
dem Beispiel nach 2 ist das Schaltelement TE so
gewählt, dass es in einem Ruhezustand geschlossen ist und
die Ausgangsanschlüsse AE bzw. die Anschlüsse
der Lichtquelle QE in diesem Zustand kurz schließt. Für
eine synchrone Ansteuerung von Schaltwandleranordnung und zugeordnetem
Schaltelement nach der in 5 skizzierten
Art kann durch den anderen Aufbau des Schaltelements TE ein gemeinsames
Steuersignal KE für die Ansteuerung der Schaltwandleranordnung
WE und des Schaltelements TE eingesetzt werden, für welches die
Signalform des ersten Steuersignals SA nach 5(A) angenommen
sei. In dem Signalzustand L, in welchem die Schaltwandlereinrichtung
WE inaktiv ist, ist das Schaltelement TE, wie in 2 dargestellt, geschlossen.
Beim Übergang des Steuersignals KE in den Signalzustand
H wird zum einen die Schaltwandleranordnung WE aktiviert und zum
anderen das Schaltelement TE geöffnet, so dass die elektrische
Ausgangsleistung der Schaltwandleranordnung über die Lichtquelle
QE geleitet wird. Beim erneuten Wechsel des Steuersignals KE in
den Signalzustand L wird die Schaltwandleranordnung deaktiviert
und das Schaltelement TE geschlossen, so dass ein eventuell nach
Deaktivierung der Schaltwandleranordnung WE auftretender Ausschwingvorgang über das
Schaltelement TE kurzgeschlossen wird.
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In
dem in 5 skizzierten Beispiel für das erste
und das weitere Steuersignal ist davon ausgegangen, dass die Länge
des Ausgangspulses AP der Schaltwandleranordnung quasi kontinuierlich
bis zu beliebig kurzen Pulslängen AP verändert
werden kann. Falls dies nicht möglich oder wegen Veränderung
der Betriebseigenschaften der Schaltwandleranordnung nicht zweckmäßig
ist, kann gemäß der Ausführungsform nach 6 vorgesehen
sein, dass die Pulslänge des Ausgangspulses der Schaltwandleranordnung
nicht unter eine Mindestlänge APmin verkürzt werden
kann, wobei die minimale Pulslänge APmin beispielsweise
gleich dem Schalttakt der getakteten Schaltwandleranordnung oder
einem mehrfachen davon sein kann. Der Pulsendezeitpunkt der minimalen
Pulslänge des Ausgangspulses APmin ist mit PASn bezeichnet.
Das erste Steuersignal ist mit SAL bezeichnet. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen
ist es auch unter der Annahme einer solchen Mindestpulslänge
des Ausgangspulses auf einfache Weise möglich, kürzere
Nutzpulse zu erzeugen, indem das weitere Steuersignal ZAL für
eine gegenüber der kürzesten Ausgangspulslänge
APmin kürzere Zeitspanne NPZ in den ersten Signalzustand I
zwischen einem Einschaltzeitpunkt EZn und einem Ausschaltzeitpunkt
AZZn versetzt wird, wobei die Zeitspanne NPZ wegen der einfachen
Steuerbarkeit des vorzugsweise als Feldeffekttransistor ausgeführten
Schaltelements nahezu beliebig kurz sein kann.
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Lediglich
während der Pulslänge NPZ des durch das weitere
Steuersignal bestimmten Nutzpulses fließt ein Strom vom
Ausgang der Schaltwandleranordnung durch die Lichtquelle, wogegen
die nach dem Abschaltzeitpunkt AZZn noch immer bis zum Pulsendezeitpunkt
PASn des Ausgangspulses APmin aktive Wandleranordnung während
der Differenzzeit KZ auf den durch das Schaltelement gebildeten
Kurzschluss arbeitet. Die dabei anfallende Verlustleistung ist durch
die Kurzschlussfestigkeit der Schaltwandleranordnungen gering und
für die Verlustleistungsbilanz der Beleuchtungseinrichtung
unerheblich, da eine solche Verkürzung des Nutzpulses gegen
den Ausgangspuls um die Differenzzeit KZ auf kleine Zeitabschnitte
KZ beschränkt werden kann.
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Schaltwandler
können eine Betriebsart aufweisen, in welcher auch nach
Wegfall des ersten Steuersignals, d. h. dessen Wechsel in den Signalzustand
L: innerhalb einer Taktperiode des Schaltwandlertakts der Ausgangspuls
noch bis zum Ende dieser Taktperiode fortgesetzt wird, so dass unter
der Annahme im wesentlichen konstanter Taktperiodenlängen
eines Schaltwandlers dessen Ausgangspuls nur ganzzahlige Vielfache
der Taktperiodenlänge annehmen kann, auch wenn die Zeitdauer
des ersten Steuersignals feiner abgestuft werden kann. Die minimale Länge
des Ausgangspulses beträgt dann eine oder eventuell auch
mehrere Taktperiodenlängen. Der Anfang des Ausgangspulses
kann auch gegen den Wechsel des ersten Steuersignals in den Signalzustand
H verzögert sein, wenn z. B. der Schaltwandler zur Unterdrückung
von Störsignalen an seinem Eingang eine Mindestlänge
des Steuersignals benötigt. Das erste Steuersignal ist
dann mit entsprechender Mindestlänge zu erzeugen und die
Verzögerung der Aktivierung des Schaltwandlers auch bei
dem zweiten Steuersignal zu berücksichtigen. Eine Verzögerung
des Anfangs des Ausgangspulses gegen den Wechsel des ersten Steuersignals
in den Signalzustand H kann z. B. auch dann auftreten, wenn im Schaltwandler
ein internes Taktsignal im inaktiven Zustand läuft und
eine Aktivierung erst bei einem Wechsel des Taktsignals in einen
von zwei Signalzuständen und gleichzeitigem Anliegen eines
ersten Steuersignals im Signalzustand H erfolgt. Die dadurch auftretende
Verzögerung kann bei der erfindungsgemäßen
Maßnahme gleichfalls auf einfache Weise berücksichtigt
werden, indem der Einschaltzeitpunkt gegen den Wechsel des ersten
Steuersignals in dessen Signalzustand H verzögert wird.
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Die
Verkürzung des Nutzpulses gegenüber dem Ausgangspuls
kann auch von besonderem Vorteil sein, wenn nicht nur eine Mindest-Pulslänge
des Ausgangspulses gegeben ist, sondern wenn der Ausgangspuls nur
in gröberen Schritten, beispielsweise mit Schrittweiten
gleich der Taktperiode des Schalttakts der Schaltwandlereinrichtung
veränderbar ist. Hierdurch können dann durch Verkürzung
des Nutzpulses gegenüber dem Ausgangspuls Nutzpulse in
quasi kontinuierlicher Längenabstufung erzeugt werden.
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Für
den Fall, dass auch beim Aktivieren der Schaltwandleranordnung Einschwingvorgänge
oder Verzögerungen auftreten, kann ferner vorgesehen sein,
den Zeitpunkt PEn, zu welchem das erste Steuersignal SA, SAL in
den Signalzustand H wechselt, gegenüber dem Einschaltzeitpunkt
EZn des zweiten Steuersignals ZA, ZAL zeitlich vorzuverlegen.
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Anstelle
der Anordnung eines Schaltelements in einem Parallelstrompfad und
Kurzschließen der Ausgangsanschlüsse einer Schaltwandleranordnung
kann auch ein Schaltelement als Serienschalter im Stromkreis von
Schaltwandlerausgang und Lichtquelle angeordnet sein, welches zur
Unterbindung eines Stroms durch die Lichtquelle geöffnet
wird und den Stromkreis unterbricht.
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Die
vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie
die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als
auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung
ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt,
sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei
Weise abwandelbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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