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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Signalleuchte mit LED-Beleuchtung
(LED = lichtemittierende Diode), welche in Verkehrssignal- oder Anzeigeeinrichtungen
wie beispielsweise Verkehrsampeln oder Straßenschildern- oder anzeigen
zur Anwendung gelangt. Die Signalleuchte arbeitet zusammen mit einer
optischen Linse, um das von einer LED oder Vielzahl von LEDs emittierte
Licht effizient unter vorbestimmten Winkeln auszusenden bzw. in bestimmten
Richtungen abzustrahlen.
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Herkömmliche
Verkehrssignalleuchten bzw. beleuchtete Straßenschilder mit herkömmlichen Glühlampen-Leuchten
haben Nachteile gegenüber Leuchten
mit LEDs. Leuchten mit Glühlampen
benötigen
eine wesentlich höhere
Leistung und haben in der Regel eine weit geringere Lebensdauer
als LEDs. In der Folge erfordern Leuchten mit Glühlampen häufiger Reparaturen- oder Austauscharbeiten.
Demgegenüber
bieten LEDs eine erhebliche Verringerung der Betriebs- und Wartungskosten
im Vergleich zu Leuchten mit Glühlampen.
Herkömmliche
LEDs emittieren das Licht allerdings nur in einem vergleichsweise
engen Strahlungsbereich, so dass zur Erzielung einer ausreichenden
räumlichen
Verteilung des ausgesandten Lichtes eine hinreichend breite Streuung des
Lichtes erforderlich ist, um den entsprechenden gesetzlichen oder
behördlichen
Anforderungen solcher Verkehrsleuchten zu genügen. Des weiteren sind LEDs
wärmeempfindlich
und erfordern daher geeignete Maßnahmen zur Wärmeabfuhr
während des
Betriebes der LEDs und zugehörenden
Schaltungskomponenten, oder eine hinreichend geringe Betriebstemperatur
oder eine geringe Wärmebelastung,
um eine zuverlässige
Betriebsweise über
größere Temperaturbereiche
sicherzustellen.
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Bislang
bekannt sind Signalleuchten mit LEDs, bei denen eine Vielzahl von
LEDs gleichmäßig über annähernd die
gesamte Leuchtfläche
auf einer Trägerplatte
verteilt sind. Vor jeder LED ist jeweils eine als Sekundäroptik dienende
Sammellinse angebracht. Ferner besitzt ein solches System eine als Pri märoptik dienende
Einrichtung, beispielsweise Streuscheiben oder andere Linsenanordnungen. Während die
Primäroptik
die äußere Lichtfläche bereitstellt,
soll mit Hilfe der Sekundäroptik
ein möglichst
großer
Anteil des von der Lichtquelle ausgestrahlten Lichtes in Nutzlicht
umgewandelt werden. Weiterhin soll das von äußeren Lichtquellen, insbesondere
Sonnenlicht stammende Phantomlicht weitgehend unterdrückt werden;
zu diesem Zweck gelangen Lamellen- oder Wabeneinsätze zur
Anwendung, die zwischen Primär-
und Sekundäroptik
angeordnet werden.
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Bei
einem anderen bekannten System werden einige wenige, lichtstarke
LED verwendet, die zu einer im Verhältnis zur Leuchtfläche kleineren
Einheit auf einer Trägerplatte
zusammengefasst sind. Die LED-Einheit kann mit einer Sekundäroptik versehen sein,
beispielsweise eine Fresnellinse. Darüber hinaus ist meist noch eine
Primäroptik
vorgesehen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte
Signalleuchte mit LED-Beleuchtung zur Verfügung zu stellen, welche insbesondere
in Außenumgebungen
bei Verkehrsleucht- und Signaleinrichtungen angewendet werden kann,
und welche für
den gewünschten
Richtungsbereich möglichst
effizient das Licht der LEDs aussendet, und dabei möglichst
einfach und daher kostengünstig
herstellbar ist.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Signalleuchte nach dem Anspruch 1, 9 und
15 gelöst.
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In
einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist eine Signalleuchte
mit einem Grundträger
und wenigstens einem Leuchtmittel, vorzugsweise zwei oder einigen
wenigen mehr elektrischen Leuchtmitteln vorgesehen, die zusammen
eine quasizentrale Lichtquelle bilden, und die auf dem Grundträger in einer Ebene
mit einem geringen Abstand voneinander derart angeordnet sind, dass
die von den Leuchtmitteln eingenommene Fläche eine maximale Seitenfläche aufweist,
und mit einer Linseneinrichtung, die in einem vorbestimmten Abstand
vor den Leuchtmit teln angeordnet ist, wobei der vorbestimmte Abstand
größer ist,
insbesondere wesentlich größer ist
als die maximale Seitenfläche,
wobei sich diese Ausgestaltung der Erfindung dadurch auszeichnet,
dass – im Falle
nur eines Leuchtmittels – die
Position und – im Falle
mehrerer Leuchtmittel – die
Position und der Abstand der Leuchtmittel auf dem Grundträger anwenderspezifisch
variabel einstellbar ist.
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Dem
Prinzip der Erfindung folgend ist vorgesehen, dass die die Leuchtmittel
abstützende
Platine auf ihrer Kontaktierungsoberfläche mehrere vorgefertigte Anschlussflecken
(„Pads") für die Kontaktierung
der Leuchtmittel aufweist. Hierbei können die mehreren vorgefertigten
Anschlussflecken dergestalt angeordnet sein, dass eine beliebige
Anzahl und Anordnung in Abhängigkeit
der gewünschten
Strahlgesamtleistung und -charakteristik mit Leuchtmitteln bestückt werden.
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Hierbei
kann die Signalleuchte für
die Befestigung der Platine auf dem Grundträger vermittels Schrauben oder
Stiften oder auch anderer Befestigungsmittel die Platine mehrere
Langlöcher
besitzen, und der Grundträger
mehrere vorgefertigte Bohrungen zur Aufnahme der Befestigungsmittel
aufweisen.
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In
Abhängigkeit
von Vorgaben des Anwenders und in Erfüllung von technischen Normen
kann nun die vorgegebene bzw. gewünschte Abstrahlungscharakteristik
durch variable Platzierung und/oder Bestückung der Leuchtmittel erfüllt werden.
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In
einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung ist eine Signalleuchte
mit einem Grundträger
und einer auf dem Grundträger
angeordneten zentralen oder quasizentralen, jedenfalls im wesentlichen punktförmig wirkenden
Lichtquelle, und mit einer in einem vorbestimmten Abstand vor der
Leuchtquelle angeordneten Linseneinrichtung vorgesehen, wobei sich
diese Ausgestaltung der Erfindung dadurch auszeichnet, dass die
Linseneinrichtung eine einzige Kombinationslinse mit einer Vielzahl
von Einzellinsen mit jeweils unterschiedlichen Abstrahlcharakteristiken
darstellt.
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Dem
Prinzip der Erfindung folgend ist hierbei vorgesehen, dass die Kombinationslinse
eine der Lichtquelle zugewandte Oberfläche mit einer Innenstruktur,
und eine der Lichtquelle abgewandte gewölbte Oberfläche besitzt. Bei einer bevorzugten Ausbildung
kann die Innenstruktur durch vieleckige oder runde Flächenabschnitte
ausgebildet sein, insbesondere durch 4- oder 6-eckige Flächenabschnitte oder
kreis- oder ovalrunde Flächenabschnitte.
Durch die Einstellung des Winkels jedes vieleckigen oder runden
Flächenabschnittes
gegenüber
der optischen Achse der Signalleuchte kann das von der Lichtquelle
abgestrahlte Licht nach anwenderspezifischen Vorgaben in vorbestimmten
Richtungen einzeln einstellbar umgelenkt werden.
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Hierbei
kann die Kombinationslinse zusätzlich
auf der Innen- oder
Außenseite
nach Form, Größe und Position
unterschiedlich gestaltete Antireflexflächen aufweisen. Die Antireflexflächen sind
vorzugsweise durch Aufrauung, Mattierung, Einfärbung, Bedruckung der Linsenoberfläche ausgebildet.
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Nach
einer dritten Ausgestaltung der Erfindung ist eine Signalleuchte
mit einem Grundträger und
wenigstens einem Leuchtmittel, vorzugsweise zwei oder einigen wenigen
mehr elektrischen Leuchtmitteln vorgesehen, die zusammen eine quasizentrale
Lichtquelle bilden, und die auf dem Grundträger in einer Ebene mit einem
geringen Abstand voneinander derart angeordnet sind, dass die von
den Leuchtmitteln eingenommene Fläche eine maximale Seitenfläche aufweist,
und mit einer Linseneinrichtung, die in einem vorbestimmten Abstand
vor den Leuchtmitteln angeordnet ist, wobei der vorbestimmte Abstand größer ist,
insbesondere wesentlich größer ist
als die maximale Seitenfläche,
wobei sich diese Ausgestaltung der Erfindung dadurch auszeichnet,
dass das eine oder die mehreren Leuchtmittel auf einer einzigen
Platine bestückt
ist oder sind, auf welcher Platine auch die zur Ansteuerung und/oder
Leistungsversorgung des oder der Leuchtmittel dienenden elektrischen
Schaltung vorgesehen ist, und ein aus lichtabsorbierenden Ma terial
gefertigtes Formteil vorzugsweise aus Kunststoff vorgesehen ist,
welches die Platine vollständig überdeckt.
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In
bevorzugter Weiterführung
dieser Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das Formteil ein nach
aussen gestelltes Flügelteil,
ein Mittelteil, und ein das Flügelteil
und das Mittelteil verbindendes, schräges Wandteil, welche genannten
Teile des Formteiles alle reflektierenden Bestandteile des Grundträgers bzw.
der Platine gegenüber
unerwünschten
Lichtreflexionen abschirmen, aufweist. Von Vorteil kann weiterhin
vorgesehen sein, dass das Formteil mehrere Bohrungen bzw. Öffnungen
aufweist, in denen die Leuchtmittel eingesetzt sind.
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Bei
allen Ausgestaltungen der Erfindung sind die Leuchtmittel Luminiszenzdioden,
insbesondere Hochleistungsluminiszenzdioden.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Zweckmäßigkeiten
der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit der zeichnerischen
Darstellung eines Ausführungsbeispieles
näher erläutert. Es
zeigt:
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1 eine
Schnittansicht der Signalleuchte nach dem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 eine
Vorderansicht der Signalleuchte;
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3A:
ein vergrößert dargestelltes
Detail X des Linsenbestandteiles von 1;
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3B:
ein vergrößert dargestelltes
Detail Y des Linsenbestandteiles von 1;
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4 eine
Aufsicht auf das Formteil; und
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5 eine
Aufsicht auf den Grundträger.
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Es
wird nun Bezug auf die Zeichnungen genommen, in welchen gleiche
Bezugszeichen identische oder entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten,
insbesondere in den verschiedenen Figuren bezeichnen.
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Die
Figuren zeigen eine Signalleuchte 1 mit einem Grundträger 2 und
wenigstens einem Leuchtmittel 3, vorzugsweise zwei oder
einigen wenigen mehr elektrischen Leuchtmitteln 3, die
zusammen eine quasizentrale Lichtquelle 4 bilden, und die
auf dem Grundträger 2 in
einer Ebene 5 mit einem geringen Abstand a voneinander
derart angeordnet sind, dass die von den Leuchtmitteln 3 eingenommene Fläche eine
maximale Seitenlänge
s aufweist, und mit einer Linseneinrichtung 6, die in einem
vorbestimmten Abstand b vor dem einen Leuchtmittel oder den mehreren
Leuchtmitteln 3 angeordnet ist, wobei der vorbestimmte
Abstand b größer ist,
insbesondere wesentlich größer ist
als die maximale Seitenfläche
s.
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Die
Signalleuchte 1 nach dem Ausführungsbeispiel ist allseitig
geschlossen und besitzt ein Gehäuse 7,
welches die Linseneinrichtung 6, den Grundträger 2,
sowie ein Seitenwandteil 8 umfasst. Das Gehäuse 7 kann
von zwei Seiten geöffnet
werden, was über
(nicht näher
dargestellte) Verschraubungen geschehen kann (eine Verklebung der
Gehäusebestandteile
ist somit nicht erforderlich). Das Seitenwandteil 8 besteht
aus einem lichtabsorbierenden, z.B. schwarz eingefärbtem Material.
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Das
eine oder die mehreren Leuchtmittel 3 und eine zur Ansteuerung
und Leistungsversorgung der Leuchtmittel 3 gehörende elektrische
Schaltung 9 ist oder sind auf einer einzigen Platine 10 angeordnet,
wobei die Platine 10 über
eine Zwischenlage 11 aus einem geeigneten Wärmeleitmaterial
mit einem Kühlelement 12 zur
Abführung
der beim Betrieb der Signalleuchte 1 entstehenden Abwärme gekoppelt sind.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel
ist das Kühlelement 12 durch
einen mehrere Kühlrippen 13 aufweisenden
Kühlkörper ausgebildet.
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Bei
einer anderen, nicht näher
dargestellten Ausführung
der Erfindung kann das Kühlelement 12 auch
durch ein Wärmespeicherelement
oder anderes passives Kühlelement
ausgebildet sein. Darüber
hinaus sind auch andere, insbesondere aktive Kühlelemente denkbar, z.B. solche
mit Peltierelementen.
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Ein
ebenfalls aus lichtabsorbierenden Material gefertigtes Formteil 14 vorzugsweise
aus Kunststoff überdeckt
die Platine 10 vollständig.
Das Formteil 14 hat insbesondere ein nach aussen gestelltes Flügelteil 15,
ein Mittelteil 16, und ein das Flügelteil 15 und das
Mittelteil 16 verbindendes, schräges Wandteil 17, welche
Teile 15, 16, 17 des Formteiles 14 alle
reflektierenden Bestandteile des Grundträgers 2 bzw. der Platine 13 gegenüber unerwünschten Lichtreflexionen
abschirmen. Das Mittelteil 16 hat Bohrungen bzw. Öffnungen 18,
in denen die Leuchtmittel 3 eingesetzt sind. Durch die
erfindungsgemäße Anordnung
des Gehäuses 7 mit
Seitenwandteil 8, Linseneinrichtung 6, und das
die Platine 10 überdeckende
Formteil 14 wird eine fast vollständige Phantomlichtreduktion
dadurch erreicht, dass dieses unerwünschte Phantomlicht nicht mehr
in die bzw. auf die Leuchtmittel (LEDs und diesen zugeordneten Einzelreflektoren)
trifft und dann in Richtung des Betrachters gelangen könnte, sondern
auf die Absorptionsflächen
des Formteiles 14 und andere Gehäusebestandteile gelenkt wird.
Dieser Sachverhalt ergibt sich insbesondere aus der Darstellung
gemäß 1 anhand
der schematisch bezeichneten Lichtstrahlenverläufe 20 bis 25.
Lichtstrahlen 20 sind die von Fremdlicht (Sonnenlicht)
gemäß Pfeil 19 eintretenden
Lichtstrahlen, die in der dargestellten Weise von der Linseneinrichtung 6 abgelenkt
und entweder auf das Mittelteil 16 (Lichtstrahlen 21),
das Wandteil 17 (Lichtstrahlen 22), das Flügelteil 15 (Lichtstrahlen 23),
oder das Seitenwandteil 8 des Gehäuses (Lichtstrahlen 24)
treffen und dort absorbiert werden. Lediglich ein gerinder Anteil
von etwa 5 % des auf die Linseneinrichtung 6 einfallenden
Fremdlichtes wird als nicht absorbiertes und daher störendes Licht (Lichtstrahlen 25)
nach aussen reflektiert.
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Die
Linseneinrichtung 6 nach der Erfindung ist gemäß 2 eine
einstückig
gefertigte Kombinationslinse mit einer Vielzahl von Einzellinsen 26 mit jeweils
unterschiedlichen Abstrahl- bzw. Beugungscharakteristiken. Die Kombinationslinse 6 vereinigt und
kombiniert die optischen Eigenschaften einer Sammellinse, einer
Fresnellinse, und einer Mehrfachblenden- oder Antireflexionsstruktur in einem einzigen
optischen Bauelement, und hat eine der Lichtquelle zugewandte Oberfläche 27 mit
einer Innenstruktur, und eine der Lichtquelle abgewandte, gewölbte, nicht
weiter strukturierte Oberfläche 28. Die
Innenstruktur 27 ist durch eine Vielzahl nebeneinander
angeordneter, vieleckiger oder runder Flächenabschnitte 29 ausgebildet,
insbesondere durch 4- oder (wie dargestellt) 6-eckige Flächenabschnitte 29 oder
(nicht näher
dargestellt) kreis- oder ovalrunde Flächenabschnitte.
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Wie
am besten gemäß 3A und 3B ersichtlich
ist, hat jede Einzellinse 26 auf der der Lichtquelle zugewandten
Oberfläche 26 einen
gekrümmten
oder gebogenen Oberflächenabschnitt 30, der
entweder wie in 3A gezeigt eine konkave Form,
oder wie in 3B gezeigt, eine konvexe Form
haben kann, und einen sich daran anschließenden geradlinigen Oberflächenabschnitt 31.
Jede Einzellinse 26 hat eine eigenständige, individuelle Formgebung,
die entweder durch empirische Ermittlung oder durch Berechnung vorgegeben
ist, und zwar dergestalt, dass durch die Formgebung und/oder Winkeleinstellung
jedes vieleckigen oder runden Oberflächenabschnittes 30, 31 gegenüber der
optischen Achse der Signalleuchte das von der Lichtquelle abgestrahlte
Licht nach anwenderspezifischen Vorgaben in vorbestimmten Richtungen
einzeln einstellbar umgelenkt wird. Durch die Winkeleinstellung jeder
vieleckigen Grundfläche
wird das LED-Licht sonach entsprechend den vorgegebenen Abstrahlverhalten
umgelenkt. Die je nach gefordertem Abstrahlverhalten definierte
Wölbung
bzw. Krümmung
der konkaven oder konvexen Oberflächenabschnitte 30 formt
das Licht so, dass es möglichst
nahe an die vorgegebenen Abstrahlverhalten angepasst wird. Dadurch
wird zum einen wenig Licht verschwendet, was einer hohen Effizienz
entspricht. Zum ande ren wird eine gute Uniformity (d. h. Gleichmäßigkeit
der Leuchtdichte) erreicht, da jede wabenartige Einzellinse 26 individuell
angepasst das gewünschte
Abstrahlverhalten erzeugt, und auch die Farbmischung in jeder Einzellinse 26 stattfindet.
Auf diese Weise ist es ebenso möglich,
bereits zahlenmäßig weniger Leuchtmittel
(LEDs) einzusetzen und auch „verschiedenfarbige" Leuchtmittel (LEDs)
zu mischen bzw. zu kombinieren, ohne dass wie bei den bisherigen
Einfach- oder Doppellinsensystemen die Leuchtmittel bzw. LEDs in
ihrer Anzahl (abzählbar
durch helle Lichtpunkte auf der Frontlinse) und die Farbschwankungen
auffallen. Weiterhin ist die Geometrie der Linseninnenstruktur so
auslegbar, dass wenig Licht nach aussen in nicht gewünschte Richtungen
abgestrahlt (d.h. verschwendet) wird. Dieses eingesparte Licht kann
in sinnvolle Bereiche unter Berücksichtigung
der anwenderspezifisch vorgegebenen bzw. gewünschten Abstrahlcharakteristik
genutzt werden, wodurch die Effizienz der Linseneinrichtung noch weiter
verbessert wird.
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Weiterhin
ist es durch eine Kombination der vorstehend genannten optischen
Eigenschaften mit weiteren Feineinstellungen der Linseninnenstruktur möglich, das
von aussen einfallende Fremdlicht (z.B. Sonnenlicht) auf die Absorptionsflächen des
Formteiles 14 und der anderen Gehäusebestandteile derart zu lenken,
dass dieses Licht nicht mehr in die Leuchtmittel (LEDs) und/oder
diesen. zugeordneten Reflektoren trifft und dann in Richtung des
Betrachters gelangt. In diesem Sinne trägt die Linseneinrichtung 6 auch
noch zu einer weiteren Phantomlicht-Reduktion bei. Beispielsweise
können
Antireflexflächen 32 („Phantomlichtpunkte") auf der Innen-
oder auch Außenseite
der Linseneinrichtung aufgebracht werden (z.B. durch Aufrauung,
Mattierung, Einfärbung,
Bedruckung), und zwar für
jede Einzellinse individuell. Diese verhindern Reflexionen stammend
von der Linseninnenstruktur, d.h. Fremdlicht, welches ansonsten
in Richtung des Betrachters liefe, wird absorbiert oder zerstreut.
Die Form, Größe und Position
der Antireflexflächen 32 kann
dabei auch in Abhängigkeit von der
Position und Winkelstellung der jeweiligen Einzellinse in der Linseneinrichtung 6 variieren.
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Da
insbesondere zum Rand der Linseneinrichtung 6 hin die Effizienz
aufgrund steiler Winkel und zunehmend größeren senkrechten Flächen sinkt,
kann hier die Wabenstruktur durch eine sogenannte „TIR-Zone" ersetzt werden.
An Stelle einer Lichtbrechung an den Oberflächen der vieleckigen Strukturen
wird hierbei eine „Totale
Interne Reflexion" (TIR)
im Material selbst genutzt.
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Eine
weitere Besonderheit der erfindungsgemäßen Signalleuchte besteht darin,
dass zum einen die Anzahl, die Position und der Abstand der Leuchtmittel 3 auf
der Platine 10 anwenderspezifisch variabel einstellbar
ist, und zum anderen die Lage der Platine 10 auf dem Grundträger 2 innerhalb
vorgegebener Positioniermöglichkeiten
eingestellt werden kann, damit das Abstrahlverhalten der Signalleuchte 1 optimiert
werden kann. Zu diesem Zweck besitzt die Platine 10 auf
ihrer Kontaktierungsoberfläche mehrere
vorgefertigte Anschlussflecken („Pads") 33 für die Kontaktierung der Leuchtmittel
bzw. LEDs 3. Im dargestellten Ausführungsbeispiel (vgl. 4) sind
10 solcher Pads 33 vorgesehen, die in der Form eines Dreieckes
angeordnet sind, und von denen eine beliebige Anzahl und Anordnung
in Abhängigkeit
der gewünschten
Strahlgesamtleistung und -charakteristik mit Leuchtmitteln bestückt werden
kann.
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Für die Befestigung
der Platine 10 auf dem Grundträger 2 vermittels Schrauben
oder Stiften oder auch anderer Befestigungsmittel hat die Platine 10 Langlöcher 34,
wobei der Grundträger 2 mehrere
vorgefertigte Bohrungen 35 zur Aufnahme der Befestigungsmittel
aufweist. Mehrere Bohrungen 35 sind hierbei eng beabstandet
nebeneinander vorgefertigt vorgesehen, um eine geometrisch variable
Befestigung der Platine 10 auf dem Grundträger innerhalb der
Grundträgerebene
zu gewährleisten.
Wenn darüber
hinaus noch Abstandhalter zwischen Pla tine und Grundträger vorgesehen
werden, kann sogar eine bezüglich
der Höhe
variable Positionierung erfolgen.