LED-Modul mit integrierten elektronischen Bauteilen für die Farbort- und Intensitätssteuerung

Definitionen:

CIE 1931 :

Das Cl E-Norm valenzsystem oder CIE-Normfarbsystem ist die Definition der Internationalen Beleuchtungskommission (CIE - Commission internationale de l'eclairage), Farben beruhend auf dem menschlichen

Farbwahrnehmungsapparat darzustellen. Diese Darstellung erlaubt es, einen Farbort mit 2 Koordinaten darzustellen. Abb. 01 zeigt das CIE 1931 -Diagramm. Die Abszisse stellt den x-Wert des CIE 1931 Diagramms dar- die Ordinate den y-Wert des CIE 1931 Diagramms.

Standardfarbtemperaturen:

Standardisierte Farben mit folgenden Farbtemperaturen können mit x,y- Koordinaten wie folgt dargestellt werden.

Tabelle 1 : CIE 1931 Koordinaten von Standardfarbtemperaturen

Gruppe B:

Gruppe B ist eine Leuchtdiode oder mehrere Leuchtdioden mit einer dominanten Wellenlänge im Wertebereich zwischen 430nm-480nm.

Ebenso kann Gruppe B durch mehrere Leuchtdioden mit unterschiedlichen dominanten Wellenlängen im Wertebereich zwischen 430-480nm gebildet werden.

Gruppe G: Gruppe G ist eine Leuchtdiode oder mehrere Leuchtdioden mit einer dominanten Wellenlänge im Wertebereich zwischen 500nm-560nm.

Ebenso kann Gruppe G durch mehrere Leuchtdioden mit unterschiedlichen dominanten Wellenlängen im Wertebereich zwischen 500-560nm gebildet werden.

Gruppe R:

Gruppe R ist eine Leuchtdiode oder mehrere Leuchtdioden mit einer dominanten Wellenlänge im Wertebereich zwischen 580nm-650nm. Ebenso kann Gruppe R durch mehrere Leuchtdioden mit unterschiedlichen dominanten Wellenlängen im Wertebereich zwischen 580-650nm gebildet werden.

Gruppe P:

Gruppe P ist eine Leuchtdiode oder mehrere Leuchtdioden wobei Leuchtdioden der Gruppe B Phosphore anregen. Die Emissionsfarbe (Farbort im CIE Farbdiagramm) wird durch die Art des Phosphors und die Menge des Phosphors bestimmt.

RGB-Technologie:

Weißes LED Licht kann durch die additive Mischung der drei Farben Rot (Gruppe R), Grün (Gruppe G) und Blau (Gruppe B) erzeugt werden (im Folgenden als RGB Lösung bezeichnet). RGB Lösungen zeichnen sich durch geringe Farbwiedergabe aus.

RGBA-Technologie: Durch das Hinzufügen von Amber-LEDs kann die Farbwiedergabe erhöht werden.

Phosphor-Technologie:

In der Phosphorkonversions-Technologie (im Folgenden als Phosphor LED bezeichnet) wird ein Teil des primären blauen Lichtes von einem Konversionsleuchtstoff aufgenommen und als Licht in einem höheren Wellenlängenbereich wieder emittiert. Bei der richtigen Mischung von blauen LEDs mit Phosphoren kann weißes Licht erzeugt werden. Die breitere Emission der Phosphore erzeugt ein kontinuierlicheres Spektrum - die Farbwiedergabe ist höher als bei RGB-Lösungen.

Hybrid -Technologie:

Die Hybridtechnologie nutzt die Vorteile der Phosphor-Technologie und der RGB/RGBA Technologie. Hier erfolgt die Kombination von monochromen LEDs mit Phosphor LEDs.

Die in der deutschen Patentanmeldung 102007043355.9 beschriebene Ausführungsform einer grün-gelben Phosphor LED sehr guter Effizienz kombiniert mit blauen und roten LEDs kann Weißlicht mit Farbtemperaturen zwischen 2700K und 6500K mit hohem Ra erzeugen. Die Effizienz dieser Hybridlösung ist sehr gut, die Komplexität ist vergleichsweise gering.

Dominante Wellenlänge

Von der Peak-Wellenlänge abweichende Wellenlänge, maßgebend für den visuellen Eindruck. Wellenlänge der Spektralfarbe, die, wenn in geeigneten Proportionen additiv mit dem Unbuntpunkt gemischt, mit der betrachteten Farbvalenz zusammenfällt.

Lichtausbeute einer Strahlungsquelle Quotient aus dem ausgesandten Lichtstrom und der von der Strahlungsquelle verbrauchten elektrischen Leistung. Einheit: Im/W

Temperaturkoeffizient der Dominanten Wellenlänge änderung der dominanten Wellenlänge bei änderung der Umgebungstemperatur bei festgelegtem Durchlassstrom in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur. Einheit: nm/K

Temperaturkoeffizient der photometrischen Kenngröße

änderung der photometrischen Kenngröße bei änderung der Umgebungstemperatur bei festgelegtem Durchlassstrom in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur. Einheit Im/K

Farbraum:

Der Farbraum ist ein Messraum für die einheitliche visuelle Wahrnehmung „Farbe". In dieser mathematischen Konstruktion ist die Menge der jeweils

betrachteten Farben enthalten. Beispielhaft ist das Rechenmodell des CIE Farbraums ausgeführt:

X Y Z x ^~ x +γ+ z ^{y ~} x + γ+ z ^{z ~} x + γ+ z

x+y + z = \

Weißes Licht:

Farborte auf oder in der Nähe der Plank'schen Kurve sind weißes Licht. Die Planck'sche Kurve beschreibt die von einem schwarzen Körper abgegebene Temperaturstrahlung, angegeben als Reihe von Farborten im CIE Farbdiagramm. Diese Farben werden vom menschlichen Betrachter als weiß empfunden. Der maximale Abstand von der Plank'schen Kurve, der noch als weiß empfunden wird, ist hier mit Mac Adams 10 begrenzt (übliche Angabe von Toleranzfeldern für Lichtquellen, je kleiner die Zahl nach Mac Adams, desto kleiner ist das Toleranzfeld).

Nicht flüchtiger Speicher

Elektronikbauteile, die auch ohne Aufrechterhaltung der Energieversorgung die Information halten können. Beispielhaft sind folgende Ausführungen angeführt: EPROM, EEPROM, Flash Speicher.

Temperaturabhängiger Widerstand

Sind Widerstände, deren elektrischer Widerstand sich in Abhängigkeit der Temperatur verändert. Beispielhaft sind folgende Ausführungen angeführt: Kaltleiter (PTC), Heißleiter (NTC).

Einleitung:

Die LED-Technologie hat sich in den letzten Jahren so stark weiterentwickelt, dass LED-Technologie in der Allgemeinbeleuchtung eingesetzt werden kann. Der wesentliche Treiber für dieses Anwendungsgebiet war und ist die rasante Effizienzsteigerung der Halbleiter.

Produktionsprozess

Halbleiter für die LED Technologie können im Produktionsprozess nicht exakt reproduzierbar hergestellt werden. So gibt es Produktionsschwankungen bei der dominaten Wellenlänge, der Peakform, der Intensität und weiterer Parameter.

Temperaturkoeffizienten

Im Betrieb erwärmt sich der Halbleiter. Diese Erwärmung bewirkt eine Veränderung der dorn. Wellenlänge (Temperaturkoeffizient der dominanten Wellenlänge) und der Intensität (Temperaturkoeffizient der photometrischen Kenngröße). Dieses Verhalten ist für LEDs der Gruppen R, B, G, P, etc. unterschiedlich.

Entwicklungszyklen Hersteller von LED Halbleitern haben nicht synchrone Entwicklungszyklen für die jeweiligen Gruppen von LEDs (Gruppe B ₁ R ₁ G ₁ P, etc.). So kann die Effizienz von LEDs der Gruppe B um z.B.: 30% gesteigert werden und im gleichen Zeitrum die Effizienz der Gruppe R nur um z.B.: 20% gesteigert werden.

Die dem Konsumenten und der Industrie vertrauten Standardleuchtmittel, wie Glühbirne, Halogenlampe, Energiesparlampe, Leuchtstoffröhre, etc. haben definierte absolute Lumenpakete. Beispielhaft sind eine Auswahl von Leuchtmittel in Tabelle Tab. 02 angeführt.

Tab. 02: Absolute Lumen von Standardleuchtmittel

Durch die rasante Entwicklung der LED Technologie kann bei konstanter Leistungsaufnahme (in W elektrisch) durch die steigende photometrische Effizienz innerhalb kurzer Zeit der absolute Lumenoutput um beispielhaft 20- 30% gesteigert werden.

Diese durch den Produktionsprozess, durch unterschiedliche Temperatur- koeffizienten und nicht synchrone Entwicklungszyklen nicht exakten Parameter erschweren es, mittels RGB/RGBA oder Hybridtechnologien weißes Licht reproduzierbar zu erzeugen. Aber nur diese Technologien erlauben es, die Farbtemperatur zu verändern, bzw. einen durch die LEDs definierten Farbraum aufzuspannen.

Weiters kann durch die steigende photometrische Effizienz der absolute Lumenoutput jeder am Markt erhältlichen LED nicht gewährleistet werden (bei konstanter Leistungsaufnahme).

Stand der Technik:

Ist nach einem Defekt bzw. einer notwendigen Erweiterung eines RGB- RGBA oder Hybrid LED-Moduls eine Neubeschaffung notwendig, kann kein LED Hersteller sicherstellen, dass LEDs derselben Eigenschaft noch zur Verfügung stehen. Aber nur die Reproduzierbarkeit von definiertem LED Licht wird den Einsatz von LED Technologie in der Allgemeinbeleuchtung ermöglichen.

Nur ein Farbsensor, der den Farbort bestimmt und somit die einzelnen Farbanteile der RGB- RGBA oder Hybridlösungen berechnet werden können, erlaubt eine genaue Farbortsteuerung und wenn gewünscht, Intensitätssteuerung um einen fixen Lumenoutput zu gewährleisten. Nicht für jede Anwendung kann aber ein Farbsensor genutzt werden.

Der absolute Lumenoutput kann bei einer Steigerung der photometrischen Effizienz nur durch eine Reduktion der elektrischen Leistungsaufnahme erfolgen. Eine notwendige Ersatzbeschaffung würde den Austausch der zugehörigen Elektronik bedingen bzw. eine nachträgliche Intensitätskalibrierung erfordern.

Mit dem Gegenstand der DE 101 03 422 A1 ist bekannt, dass der Farbton des Lichtes durch unterschiedliche Ansteuerung von farbigen LEDs bestimmt werden kann. Eine Speicherung bestimmter Ansteuersignale ist nicht vorgesehen.

Mit der der DE 197 11 885 A1 wird der gewünschte Verlauf eines Ansteuersignals für LEDs vorprogrammiert und in einem EPROM gespeichert. Das Ansteuersignal wird jedoch nur für die Erzeugung von Lichteffekten (Dimmen, Flackern) verwendet.

Mit der DE 699 12 623 T2 wird eine Anzeigevorrichtung mit einem Feld aus LEDs beschrieben, die durch eine programmierbare Steuerung wahlweise ein- und ausgeschaltet werden. An eine Austauschbarkeit der LED-Module bei gleichzeitiger Wiederherstellung der licht-optischen Eigenschaften nach dem Austausch ist jedoch nicht gedacht.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein LED-Modul der eingangs genannten Art in der Weise austauschbar zu gestalten, dass nach Austausch des Moduls genau die gleichen licht-optischen Eigenschaften ohne Einstellarbeiten an der Ansteuerelektronik erreicht werden.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im geltenden Anspruch 1 gegeben.

Das erfindungsgemäße LED-Modul besteht aus der Kombination mehrerer LEDs, z.B. LEDs von RGB- RGBA oder Hybridlösungen.- Zusätzlich befindet sich ein nicht flüchtiger Speicher (z.B.: EPROM oder EEPROM) am LED-Modul.

Dieses EPROM enthält alle Parameter eines Farbraums für die Lichtsteuerung.

Weiters kann das EPROM Daten über die photometrische Effizienz speichern.

Diese können dazu genutzt werden, das absolute Lumenpaket konstant zu halten, trotz der zu erwartenden starken Steigerung der photometrischen

Effizienz. Weiters kann das EPROM weitere Daten speichern (Seriennummer, max. erreichte Boardtemperatur, Betriebsstunden, etc.).

Weiters kann sich ein temperaturabhängiger Widerstand am LED-Modul befinden. Somit können auch temperaturabhängige Parameter für die Farbraumsteuerung und Intensitätskalibrierung im EPROM gespeichert werden und somit für eine exakte Farbortsteuerung genutzt werden.

Diese am LED-Modul gespeicherten Daten werden von der LED Ansteuerelektronik ausgelesen und zur Berechnung der notwendigen Farbanteile herangezogen. Da alle relevanten Daten am LED-Modul gespeichert sind, ist bei einer notwendigen Ersatzbeschaffung nur ein Austausch des LED-Moduls notwendig. Die Elektronik liest die Daten aus dem

EPROM und kann somit alle notwendigen Farbanteile errechnen. Der Farbort muss nicht neuerlich kalibriert werden. Da auch Daten über die photometrische Effizienz gespeichert werden können, ist es erstmals möglich, bei notwendigen Ersatzbeschaffungen immer die gleichen absoluten Lumenpakete zu erzeugen.

Beispiel CIE 1931 -Farbraum:

Im EPROM am LED-Modul sind alle Tristimuluswerte (X ₁ Y ₁ Z) jeder einzelnen Farbe einer RGB- RGBA oder Hybridlösung gespeichert. Ebenso sind alle temperaturabhängigen Parameter gespeichert. Da der Y-Wert die Intensität repräsentiert, kann dieses Formelwerk ebenso für die Intensitätskalibrierung genutzt werden.

In der Software der LED-Ansteuerelektronik werden aus der gewünschten Farbtemperatur die dazugehörigen CIE-Koordinaten berechnet. Dazu werden beispielhaft folgende Formeln verwendet:

ciex ^ - 1,2368 - cct ³ + 2,516 - cct ² - 1,8671 - cct + 0,804 ciey = 0,3595 • cct ³ - 0,3257 • cct ² - 0,1748 • cct + 0,4759

Um die Pulsbreiten für die jeweiligen Kanäle zu ermitteln werden die

Farbmetrikdaten (X ₁ Y ₁ Z) aus dem LED-Modul ausgelesen und zur Berechnung herangezogen. Beispielhaft sind 3 Formeln dargestellt.

pbP = \ , - gbP-((XP- YR- XR - YP- YP- ZR + YR- ZP) ciex + (XP - (YR + ZR)- XR - (YP+ ZP))-ciey- XP- YR + XR - YP)

^{P ~} (XB YR- XR - YB- YB- ZR + YR - ZB)-ciex + (XB -(YR + ZR)- XR -(YB + ZB))-ciey- XB -YR + XR -YB

- ((pbB -(XB + YB + ZB)+ pbP -(XP + YP+ ZP))- ciex - pbB ■ XB - pbP ■ XP) P ^~ (XR + YR + ZR)- ciex - XR

wobei: pbP... Pulsbreite für Kanal Grün (Phosphorgrün) pbB... Pulsbreite für Kanal Blau pbR... Pulsbreite für Kanal Rot

XP ₁ YP, ZP... Parameter für Grün (Phosphorgrün) XB ₁ YB, ZB... Parameter für Blau XR, YR, ZR... Parameter für Rot

Wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass es nun mit den integrierten elektronischen Bauteilen für die Farbaussteuerung und Intensitätskalibrierung erstmals möglich ist, unterschiedliche LEDs von unterschiedlichen Herstellern bzw. Entwicklungsstufen einzusetzen. Denn es ist aufgrund der im EPROM abgespeicherten Werte ohne weiteres möglich, jede beliebige LED nun entsprechend zu berücksichtigen. Werkseitig werden bei der Auslieferung des LED-Moduls alle relevanten Werte vermessen und im EPROM des LED-Moduls gespeichert. Die verwendete LED-Ansteuerelektronik liest die notwendigen Daten aus dem EPROM aus und verarbeitet diese für die Farbortsteuerung bzw. Intensitätskalibrierung. Weiters kann über einen temperaturabhängigen Widerstand periodisch die Temperatur des LED-Moduls ausgelesen werden und zur Farbortsteuerung und Intensitätskalibrierung genutzt werden.

Es wird also davon ausgegangen, dass ein LED-Modul vorhanden ist, auf dem eine Mehrzahl von unterschiedlichen LEDs angeordnet ist, die mit entsprechenden Leitungen nach außen geführt sind.

Gleichzeitig ist auf der Platine des LED-Moduls noch ein EPROM angeordnet, in dem die verschiedenen Farborte und photometrische Effizienzen bzw. Intensitäten der verwendeten LEDs eingespeichert sind. Auf diese Weise ist eine Zuordnung der Farborte zu den auf dem LED-Modul verwendeten LEDs möglich und gegeben.

Die Ausgänge der LEDs am LED-Modul werden als Steuerkanäle bezeichnet und diese Steuerkanäle sind in einer LED-Ansteuerelektronik eingeführt.

Jeder Kanal (Stromversorgung) für jede LED wird als Konstantstromquelle bezeichnet und betrachtet. Das EPROM wirkt mit seinen Daten auf die Konstantstromquelle im Sinne einer Ansteuerung, um die Konstantstromquelle auf einen bestimmten Strom einzustellen und diesen Strom dann der LED zuzuführen.

Auf diese Weise wird durch die eingespeicherten Werte im EPROM stets dafür gesorgt, dass die LED genau mit dem Strom versorgt wird, wie es dem eingespeicherten Farbort im EPROM entspricht.

Damit kann reproduzierbar jeder Farbort jeder LED auf dem LED-Modul erzeugt werden. Weiters kann reproduzierbar die Intensität berechnet werden.

Wird nun das LED-Modul ausgetauscht, dann liest der in der LED- Ansteuerelektronik angeordnete Mikroprozessor die Daten des ausgetauschten LED-Moduls und zwar des dort angeordneten EPROMs aus und steuert nun wiederum individuell die einzelnen Konstantstromquellen in der LED- Ansteuerelektronik an, um wiederum nun das so angeschlossene LED-Modul mit einem solchen Strom zu versorgen und zwar für jeden Kanal getrennt, um wiederum jeden Farbort/Intensität jeder LED genau zu erreichen.

Damit wird sichergestellt, dass beim Austausch eines LED-Moduls auch das EPROM mit ausgetauscht wird und somit eine Zuordnung zwischen LED-Modul und der LED-Ansteuerelektronik und dem dort angeordneten Mikroprozessor gegeben ist.

Damit ist sichergestellt, dass beim Austausch eines LED-Moduls stets immer die gleichen Farborte/Intensitäten des LED-Moduls garantiert sind.

Da LEDs unterschiedlicher Gruppen auch unterschiedliche Temperaturkoeffizienten haben und dies beispielhaft über einen temperaturabhängigen Widerstand gemessen und kompensiert werden kann, kann das LED-Modul weiters mit einem temperaturabhängigen Widerstand kombiniert werden (z. B. einem NTC oder PTC). Somit kann auch der Mikroprozessor in der LED-Ansteuerelektronik die Daten bezüglich des Temperaturganges auslesen und für die Errechnung der einzelnen Ströme in der jeweiligen Konstantstromquelle nutzen.

Es gibt also zwei Ausführungsvarianten nach der vorliegenden Erfindung, nämlich einmal ein EPROM, welches in der Lage ist, den gewünschten Farbort/Intensität genau pro Kanal einzustellen und ferner eine zusätzliche Berücksichtigung eines Temperaturganges, welcher vom temperaturabhängigem Widerstand eingelesen wird.

In Abb. 2 ist ein solches Ausführungsbeispiel dargestellt, wo erkennbar ist, dass in einem LED-Modul 1 insgesamt z. B. drei unterschiedliche LEDs 8-10 der Lichtfarben rot, grün und blau angeordnet sind und jedem LED ein entsprechender Kanal 3, 4, 5 für die Stromversorgung zugeordnet ist.

Auf der Platine des LED-Moduls 1 ist hierbei ein EPROM 2 angeordnet.

Die Kanäle sind alle in eine LED-Ansteuerelektronik 6 eingeführt, in der ein Mikroprozessor 19 angeordnet ist. Ferner wirkt der Mikroprozessor auf entsprechende Konstantstromquellen 12-14, wobei jede Konstantstromquelle auf einen Kanal 3, 4, 5 wirkt.

Der Mikroprozessor 19 liest nun die Daten aus dem EPROM 2 über einen eigenen Kanal aus und steuert dementsprechend die Konstantstromquellen 12- 14 zur Ansteuerung der Kanäle 3, 4, 5 an, um so die jeweilige LED zur Erreichung eines idealen, voreingestellten Farbortes/Intensität zu bringen.

In Abbildung 3 ist das aktuelle Schaltbild einer solchen Anordnung dargestellt. Hieraus ist erkennbar, dass die LEDs 11 , 12, 13 jeweils in voneinander getrennten Gruppen 8, 9, 10 (siehe Abb. 2) angeordnet sind, wobei jeder Gruppe 8, 9, 10 ein eigener Kanal 3, 4, 5 zur Ansteuerung zugeordnet ist.

Alle Kanäle 3, 4, 5 werden über einen Steckverbinder 14 dem EPROM 2 zugeführt.

In Abb. 3 ist noch dargestellt, dass am EEPROM zwei Ausgangskanäle 15 vorgesehen sind, die ebenfalls über den Steckverbinder 14 laufen. Es ist nicht dargestellt, dass am Steckverbinder 14 die Ansteuerelektronik 6 ansetzt, in der ein Mikroprozessor 19 angeordnet ist (siehe Abb.2).

Der Mikroprozessor 19 seinerseits wirkt auf die Konstantstromquellen, die von dem Mikroprozessor gesteuert werden und zwar in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen des EEPROM über den Ausgangskanal 15.

Mit der vorliegenden Erfindung ergibt sich der wesentliche Vorteil, dass nun unabhängig von der Art, dem Alter und dem Entwicklungsstand von einzelnen LEDs 8-13, stets ein LED-Modul 1 gegeben ist, welches seine charakteristischen Daten in ein EPROM eingespeichert hat. Durch die Zuordnung von LEDs und einem EPROM auf einem einzigen LED-Modul ergibt sich der Vorteil, dass dieses leicht auswechselbar ist und immer austauschbar ausgebildet ist, und beim Austausch immer die gleichen Farborte/Intensitäten erzielt werden.

Zeichnungsleqende

1 LED-Modul

2 EPROM

3 Kanal

4 Kanal

5 Kanal

6 Ansteuerelektronik

7 NTC-Widerstand

8 LED

9 LED

10 LED

11 LED

12 LED

13 LED

14 Steckverbinder

15 Ausgangskanal

16 Konstantstromquelle

17 Konstantstromquelle

18 Konstantstromquelle

19 Mikroprozessor