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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Dimmen einer Leuchtquelle,
die wenigstens ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement
umfasst, wobei die Leuchtquelle über eine Vorschaltung
mit einer Stromquelle verbunden ist oder verbindbar ist. Als Dimmen
sei im Folgenden die gezielte Absenkung der Lichtstärke
beziehungsweise des Lichtstromes einer Lichtquelle verstanden.
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Es
ist bekannt, als strahlungsemittierende Halbleiterbauelemente Leuchtdioden
(LED-Light emitting diods) einzusetzen. Diese weisen in der Regel
eine starke Lichtstrahlung bei gleichzeitig hoher Licht- bzw. Stromausbeute
und kleinen Abmessungen auf. Leuchtdioden können Licht
in einem Lichtspektrum ausstrahlen, welches beispielsweise zum sichtbaren
Bereich oder zu einem Infrarotbereich oder zu anderen nicht sichtbaren
Frequenzbereichen zuordbar ist.
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Die
Helligkeit einer Leuchtdiode kann beispielsweise durch Steuerung
eines Wertes eines Stroms durch die Leuchtdiode gesteuert werden. Hierzu
ist der Einsatz regelbarer Konstantstromquellen bekannt. Eine weitere
Möglichkeit zur Steuerung von Leuchtdioden ist die Verwendung
einer Pulsweitenmodulation (PWM) oder einer Pulsdichtemodulation
(PDM), wobei hier Steuersignale generiert werden, durch die die
Leuchtdioden abwechselnd an- und ausgeschaltet werden. In diesem
Fall hängt die Helligkeit der Leuchtdioden vom zeitlichen
Mittelwert des Stroms durch die Leuchtdioden ab.
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Es
ist also bekannt LEDs entweder durch eine Konstantstromsteuerung
oder eine Pulsweitenmodulationssteuerung zu dimmen (siehe hierzu
z. B. A. Zukauskas, Introduction to Solid state Lightening, Whiley & Sons 2002).
Beide Ansätze beruhen darauf, dass die Helligkeit einer
Leuchtquelle, wie beispielsweise einer LED eine Funktion des mittleren
Stromflusses durch die Leuchtquelle ist. Folglich kann eine Dimmfunktion,
das heißt wechselnde Helligkeit der Leuchtquelle, durch
einzustellende Intensität des Stromflusses durch die Leuchtquelle
erreicht werden.
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Es
ist zunehmend erwünscht, thermische Strahlungsquellen (Glühlampen)
durch strahlungsemittierende Halbleiterbauelemente (LED) zu ersetzen,
wobei das Dimmverhalten der thermischen Strahlungsquellen weitgehend
beibehalten werden soll. Zwischen Glühlampen und LED bestehen
zwei grundsätzliche Unterschiede, die Betriebsart und das Dimmverhalten.
Thermische Strahlungsquellen werden mit Konstantspannung betrieben,
das Dimmverhalten ist in 6, Graph 30 gezeigt.
Bei Halbierung der Spannung reduziert sich die Helligkeit einer
Glühlampe auf ca. 5%. Der Betriebszustand Betriebsspannung
100% sei im Folgenden als Normalbetrieb und der Betriebszustand
Betriebsspannung 50% als Nachtbetrieb bezeichnet. LEDs werden mit
Konstantstrom betrieben und es besteht ein in erster Näherung
linearer Zusammenhang zwischen Strom und Lichtstärke. Eine
typische, über die Spannung in der Lichtstärke
regelbare Schaltungsanordnung ist der Betrieb mit einem Vorwiderstand,
das Dimmverhalten dieser ist in 6, Graph 32 gezeigt.
Bei der Halbierung der Spannung fällt die Helligkeit auf
etwa 30–45% ab (in Abhängigkeit von der Relation
Spannungsabfall am Widerstand zum Spannungsabfall an der LED). Damit
ist der LED-Ersatz im gedimmten Zustand etwa 6–10x heller
als eine Glühlampe, dies kann z. B. im Nachtbetrieb zu
Blendeffekten führen und ist unerwünscht. Eine
Schaltungsanordnung zur Lösung dieser Aufgabenstellung
ist bislang nicht bekannt.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
der gattungsgemäßen Art anzubieten, um auf einfache
Weise das Dimmverhalten von Leuchtquellen, die wenigstens ein strahlungsemittierendes
Halbleiterbauelement umfassen, an das Dimmverhalten von thermischen Strahlern
anzupassen.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch eine Schaltungsanordnung mit den in Anspruch
1 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, dass die Vorschaltung
wenigstens ein Bauelement oder eine Baugruppe umfasst, über
dem wenigstens 40% des Gesamtspannungsabfalls der Schaltungsanordnung
bei Normalbetrieb abfallen, wird das Dimmverhalten dem Dimmverhalten
thermischer Strahler angepasst. Der Spannungsabfall dieses Bauelementes
sei von der Betriebsspannung und dem Strom durch die Schaltungsanordnung
nahezu unabhängig. Oberhalb der hierdurch definierten Spannungsgrenze
besteht ein nahezu linearer Zusammenhang zwischen Spannung und Lichtstärke,
somit ist vortelihaft möglich, das Dimmverhalten der wenigstens
ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement umfassenden Leuchtquelle
an ein Dimmverhalten von thermischen Strahlungsquellen anzupassen.
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In
bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die
Vorschaltung eine Reihenschaltung eines Widerstandes und einer Zener-Diode
umfasst. Hierdurch ist vorteilhaft möglich, dass durch
den Widerstand das Dimmen durch Absenken der Betriebsspannung für
das strahlungsemittierende Halbleiterbauelement möglich
ist und, da über der Zener-Diode wenigstens 40% der Gesamtspannung abfallen,
im Nachtbetrieb der Strom durch das strahlungsemittierende Halbleiterbauelement
und damit die Lichtstärke auf ca. 5% abfällt.
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In
weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Vorschaltung eine Reihenschaltung eines Widerstandes und
zweier entgegengesetzt gepolter Zener-Dioden umfasst. Hierdurch
wird vorteilhaft möglich, die Leuchtquelle mit einer Wechselspannungsquelle
oder unterschiedlich gepolten Gleichspannungsquellen zu betreiben.
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Ferner
ist in weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen,
dass der Reihenschaltung der zwei entgegengesetzt gepolten Zener-Dioden
ein Widerstand parallel geschaltet ist. Durch diesen parallel geschalteten
Widerstand wird vorteilhaft eine weiter verbesserte Anpassung der Spannuns-Lichtstärke-Kennlinie
des wenigstens einen strahlungsemittierenden Halbleiterbauelementes
an das Dimmverhalten von thermischen Leuchtstrahlungsquellen möglich.
Die zusätzliche Anordnung des parallel geschalteten Widerstandes
führt dazu, dass, wenn der Spannungsabfall der Zener-Diode
auf über 50% der Betriebsspannung im Normalbetrieb angehoben
wird, der Strom durch die LED und damit die Lichtstärke
vom Parallelwiderstand (26, 3) bestimmt
wird und damit technologisch bedingte Flussspannungsschwankungen
der LED und Z-Spannungsschwankungen der Zener-Dioden wesentlich
besser ausgeglichen werden.
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Darüber
hinaus ist in weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen,
dass der Leuchtquelle, die wenigstens ein strahlungsemittierendes
Halbleiterbauelement umfasst, ein Widerstand parallel geschaltet
ist. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, dass mittels dieses zusätzlichen
Widerstandes ein störspannungsinduziertes Flackern der Leuchtquellen
im gedimmten oder abgeschalteten Zustand unterdrückt werden
kann. Insbesondere bei dunkler Umgebung könnte dieses störspannungsinduzierte
Flackern wahrgenommen und fehlinterpretiert werden.
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Die
Aufgabe wird ferner durch eine Schaltungsanordnung mit den im Anspruch
8 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, dass die Schaltung
mindestens ein Bauelement umfasst, dessen Spannungsabfall nahezu
unabhängig von der Versorgungsspannung und dem sich einstellenden
Strom ist, dessen Spannungsabfall im ungedimmten Zustand wenigstens
40% des Gesamtspannungsabfalles der Schaltungsanordnung (10)
ist und die oberhalb der hierdurch definierten Spannungsgrenze einen
linearen Zusammenhang zwischen Strom und Spannung und damit Lichtstärke,
alternativ Lichtstrom, realisiert, ist vorteilhaft möglich,
eine Anpassung des Dimmverhaltens an das Dimmverhalten von thermischen
Strahlungsquellen zu erreichen.
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Der
Vollständigkeit halber sei angemerkt, dass das Bauelement
oder die Baugruppe, deren Spannungsabfall nahezu unabhängig
von der Versorgungsspannung und dem sich einstellenden Strom ist,
durch die Reihenschaltung von Dioden, Zener-Dioden oder LEDs realisiert
werden können.
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Weitere
bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen,
in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand
der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer
ersten Ausführungsvariante;
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2 eine
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer
zweiten Ausführungsvariante;
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3 eine
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer
dritten Ausführungsvariante;
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4 eine
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer
vierten Ausführungsvariante;
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5 eine
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer
fünften Ausführungsvariante;
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6 eine
Gegenüberstellung von Spannungs-Lichtstärke-Kennlinien;
und
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7 eine
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer
sechsten Ausführungsvariante.
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1 zeigt
eine insgesamt mit 10 bezeichnete Schaltungsanordnung zum
Dimmen einer Leuchtquelle 12, die eine LED 14 umfasst.
Der LED 14 ist eine Vorschaltung 16 vorgeschaltet,
die eine Reihenschaltung eines Widerstandes 18 und einer Zener-Diode 20 umfasst.
Hierbei ist die Kathode der Zener-Diode 20 mit dem Widerstand 18 verbunden. Die
Schaltungsanordnung 10 ist mit einer nicht dargestellten
Spannungsquelle verbunden. Ein Beispiel für die Dimensionierung
könnte beispielsweise sein, die Z-Spannung der Zener-Diode 20 ist
9 V der Widerstand 18 hat einen Widerstandswert R = 650 Ω, die
Versorgungsspannung beträgt 24 V und die Flussspannung
Uf der LED 18 beträgt
2 V (rote LED). Durch die Vorschaltung 16 wird erreicht,
dass bei anliegender Versorgungsspannung von 24 V der Strom durch
die LED 20 mA beträgt, während bei reduzierter
Versorgungsspannung von 12 V der Strom durch die LED 1,5 mA beträgt.
Damit wird der Strom durch die LED und folglich die Lichtstärke
auf 7,5% reduziert.
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2 zeigt
eine Schaltungsanordnung 10, bei der die Leuchtquelle 12 zwei
LEDs 14 und 24 umfasst, die entgegengesetzt gepolt
parallel geschaltet sind. Die Vorschaltung 16 umfasst den
Widerstand 18 sowie eine Reihenschaltung der Zener-Diode 20 mit
einer weitern Zener-Diode 22. Die Zener-Dioden 20 und 22 sind
hierbei entgegengesetzt gepolt geschaltet. Die in 2 gezeigte
Schaltungsanordnung ist entweder mit unterschiedlich gepolten Gleichspannungsquellen
oder auch mit einer Wechselspannungsquelle betreibbar.
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Eine
Dimensionierung der Bauelemente gemäß der Schaltungsanordnung 10 in 2 könnte bei
einer Versorgungsspannung von 28 V beispielsweise folgendermaßen
sein. Die Durchbruchspannung der Zener-Dioden 20, 22 beträgt
9,7 V. Der Widerstand 18 hat einen Widerstandswert R =
730 Ω und die LEDs 14, 24 besitzen eine
Flussspannung Uf = 3,5 V (weiße
LEDs). Bei anliegender Versorgungsspannung von 28 V beträgt
der Strom durch die LEDs 14 bzw. 24 20 mA während
bei einer reduzierten Versorgungsspannung von 14 V der Strom durch
die LEDs 14 bzw. 24 0,8 mA beträgt. Damit
wird der Strom durch die LED und folglich die Lichtstärke
auf 4% reduziert.
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3 zeigt
eine Schaltungsanordnung 10, die gegenüber der
in 2 dargestellten Schaltungsanordnung modifiziert
ist. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und
nicht nochmals erläutert. Hier umfasst die Vorschaltung 16 zusätzlich ein
zu der Reihenschaltung der Zener-Dioden 20, 22 parallel
geschalteten Widerstand 26. Eine Dimensionierung der Bauelemente
dieser Schaltungsanordnung 10 könnte beispielsweise
folgendermaßen sein. Der Widerstand 18 besitzt
einen Widerstandswert R = 500 Ω während der Widerstand 26 den
Widerstandswert R = 10 kΩ besitzt. Die Durchbruchspannung
der Zener-Dioden 20, 22 beträgt 14 V.
Die LEDs 22, 24 besitzen eine Spannung Uf = 3,5 V (weiße LED). Hierdurch
ergibt sich bei einer Versorgungsspannung von 28 V ein Strom durch
die LEDs von 20 mA und bei reduzierter (halbierter) Versorgungsspannung
von 14 V ein Strom von 1 mA durch die LEDs. Damit wird der Strom
durch die LED und folglich die Lichtstärke auf 5% reduziert.
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4 zeigt
eine weitere Modifizierung der Schaltungsanordnung 10 gemäß 2.
Hierbei ist zusätzlich zu der aus 2 beschriebenen
Schaltungsanordnung 10 der Parallelschaltung der LEDs 14 und 24 ein
Widerstand 28 parallel geschaltet. Dieser parallel geschaltete
Widerstand 28 führt zu einer Unterdrückung
von störspannungsinduziertem Flackern der LEDs 14 bzw. 24.
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5 zeigt
eine weitere Schaltungsanordnung 10, bei der die Schaltungsanordnung 10 gemäß 3 ebenfalls
um den Widerstand 28 erweitert wurde. Hinsichtlich der übrigen
Bestandteile wird auf die Beschreibung der vorhergehenden Figuren
verwiesen. Der Widerstand 18 besitzt beispielsweise einen Widerstandswert
R = 50 kΩ und der Widerstand 26 einen Widerstandswert
R = 10 kΩ. Die übrigen Dimensionierungen sind
wie zu 3 angegeben.
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6 zeigt
die Gegenüberstellung von Kennlinien, die bei der Dimmung
einer thermischen Strahlungsquelle und bei einer Dimmung gemäß der in
den 2, 3 und 4 erzielten
Lichtstärke-Spannungs-Kennlinien. Eine Kennlinie 30 verdeutlicht
hierbei die Lichtstärke-Spannungs-Kennlinie beim Dimmen
einer thermischen Strahlungsquelle (Glühlampe). Anhand
der Kennlinie 30 wird deutlich, dass Dimmverhalten der
thermischen Strahlungsquelle darin besteht, dass bei einer Halbierung der
Betriebsspannung die Lichtstärke auf 5% reduziert wird.
Eine Kennlinie 32 verdeutlicht die Lichtstärke-Spannungs-Kennlinie
einer nach dem Stand der Technik gedimmten LED. Es wird deutlich,
dass hier das Dimmverhalten der LED linear ist, das heißt
die Halbierung der Betriebsspannung bedeutet die Halbierung des
Stromes durch die LED und damit die Halbierung der Lichtstärke/des
Lichtstromes der LED.
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Die
Kennlinie 34 verdeutlicht das Dimmverhalten der Schaltungsanordnung 10 gemäß 2. Es
wird deutlich, dass hier das Dimmverhalten gemäß der
Kennlinie 34 dem Dimmverhalten der Kennlinie 30 für
thermische Strahlungsquellen im Bereich einer halbierten Betriebsspannung
nahezu angenähert ist. Eine gemäß der
Schaltungsanordnung der 2 gedimmte LED besitzt bei halbierter
Betriebsspannung gegenüber einer nach dem Stand der Technik
gedimmten LED (Kennlinie 32) ein deutlich verbessertes
Dimmverhalten.
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Schließlich
zeigt die Kennlinie 36 das Dimmverhalten der Schaltungsanordnung 10 gemäß der 3.
Es wird deutlich, dass durch die zusätzliche Parallelschaltung
des Widerstandes 26 zu den Zener-Dioden 20, 22 eine
weitere Annäherung des Dimmverhaltens an das Dimmverhalten einer
thermischen Strahlungsquelle (Kennlinie 30) erfolgt. Insbesondere
im Bereich der halbierten Versorgungsspannung ist hier das Dimmverhalten
der LED nahezu identisch mit dem Dimmverhalten einer thermischen Strahlungsquelle.
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7 zeigt
schließlich eine weitere Schaltung 10 analog der
Schaltungsanordnung 10 gemäß 5,
bei der die Schaltungsanordnung 11 getrennt wurde, der
Widerstand 18 befindet auf der einen, die Reihenschaltung
der Zener-Dioden 20, 22 mit Parallelwiderstand 26 auf
der anderen Seite der LED Anordnung 12 umfassend LED 14, 24 mit
Parallelwiderstand 28.
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Ein
weiterer, erfindungsgemäßer Vorteil dieser Schaltungsanordnung
ist, dass mit ihr die technologisch bedingten Schwankungen sowohl
der Flussspannungen der Leuchtdioden als auch der Z-Spannung der
Zener-Dioden kompensiert werden. In Anordnungen von mehreren Leuchtdioden
wird eine wesentlich homogenere Helligkeit erreicht. Erfindungsgemäß ist
weiterhin, dass die Schaltungsanordnung auch geteilt werden kann,
d. h. dass Teile vor und nach dem strahlungsemittierenden Halbleiterbauelement
angeordnet sein können.
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Durch
die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 10 kann
in einfacher Weise durch deren kleinbauenden und kompakten Aufbau
eine Integration in den genormten Sockel einer thermischen Strahlungsquelle
(Glühlampe) erfolgen. Sofern ist ein Ersatz bekannter thermischer
Strahlungsquellen (Glühlampen) durch eine Leuchtquelle,
die wenigstens ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement
mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 10 umfasst
und deren Dimmverhalten aufweist in einfacher Weise möglich.
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Eine
Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 10 ist
für Leuchtquellen, die wenigstens ein strahlungsemittierendes
Halbleiterbauelement umfassen, im Automotiv-Bereich, Luftfahrtbereich
und auch in Bereichen des täglichen Lebensbedarfs denkbar.
Insbesondere eine sichere, blendfreie Erkennung bei einer Umschaltung
von Tag- auf Nachtbetrieb ist so in einfacher Weise realisierbar.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schaltungsanordnung
- 12
- Leuchtquelle
- 14
- LED
- 16
- Vorschaltung
- 18
- in
Reihe geschalteter Widerstand
- 20
- Zener-Diode
- 22
- Zener-Diode
- 24
- LED
- 26
- parallel
geschalteter Widerstand
- 28
- parallel
geschalteter Widerstand
- 30
- Kennlinie
(thermischen Strahlungsquelle)
- 32
- Kennlinie
(nach dem Stand der Technik gedimmte LED)
- 34
- Kennlinie
(Dimmverhalten der Schaltungsanordnung 10 gemäß 2)
- 36
- Kennlinie
(Dimmverhalten der Schaltungsanordnung 10 gemäß 3)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
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keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007034177
B4 [0005]
- - DE 102007010039 A1 [0005]
- - DE 102007049533 A1 [0005]
- - DE 10140331 C2 [0005]
- - DE 102006028670 A1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - A. Zukauskas,
Introduction to Solid state Lightening, Whiley & Sons 2002 [0004]
