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Die
Erfindung betrifft eine Beleuchtungsanordnung mit wenigstens einer
Leuchtstofflampe, und insbesondere mit einer Kaltkathodenlampe umfassend
eine Röhre,
die wenigstens einen lichtemittierenden Bereich aufweist, einen
Hochspannungsanschluss an einem ersten Ende der Röhre und
einen Niederspannungsanschluss an einem zweiten Ende der Röhre.
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Kaltkathodenlampen
werden als Hintergrundbeleuchtung (Backlight) in Flüssigkristallanzeigen
(LC-Anzeigen) verwendet, beispielsweise für Computer-Bildschirme. Ähnliche
Hintergrundbeleuchtungen findet man auch in anderen Arten von Anzeigen
in einem weiten Anwendungsbereich, beispielsweise in Kraftfahrzeugen,
beleuchteten Werbetafeln und dergleichen.
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Für die Hintergrundbeleuchtung
von LCD-Bildschirmen werden allgemein Kaltkathodenlampen eingesetzt.
Sie haben den Vorteil, geringe Wärmemengen
zu erzeugen, haben eine relativ lange Lebensdauer und einen hohen
Wirkungsgrad. Ferner sind die Elektrodenstrukturen einfach, so dass
sehr kleine Kaltkathodenlampen hergestellt werden können, die
auch in kleinen Flüssigkristallanzeigen
einsetzbar sind.
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Eine
Kaltkathodenlampe umfasst eine Röhre mit
einem Hochspannungsanschluss an einem ersten Ende der Röhre und
einem Niederspannungsanschluss an dem zweiten Ende der Röhre. Der
Hochspannungsanschluss wird mit einer hochfrequenten Wechselspannung
versorgt, wobei eine übliche
Versorgungsspannung eine Frequenz von etwa 50 bis 100 kHz und eine
Spannungsamplitude von etwa 500 bis 1000 V haben kann. Der Niederspannungsanschluss
ist in der Regel mit Masse verbunden. Es ist jedoch auch möglich, die
beiden Anschlüsse
der Kaltkathodenlampe mit einer positiven und einer negativen Wechselspannung
zu verbinden, wobei sich dann etwa in der Mitte der Röhre eine
virtuelle Masse ergibt. Dies ist insbesondere bei besonders langen Röhren zweckmäßig.
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Ein
Leistungsmerkmal von LC-Anzeigen ist eine möglichst gleichmäßige Ausleuchtung
der gesamten Anzeigenfläche.
Je nach Größe des Bildschirms
werden für
die Hintergrundbeleuchtung zwei bis 16 oder auch mehr Kaltkathodenlampen
eingesetzt. Die Lampen werden parallel zueinander, vertikal übereinander
angeordnet, und ihr Licht wird über einen
Reflektor sowie über
eine Diffusorplatte auf eine Flüssigkristallplatte
verteilt. Für
eine möglichst gleichmäßige Helligkeitsverteilung
müssen
sowohl die einzelnen Lampen gleich hell brennen als auch jede einzelne
Lampe selbst über
ihre Länge
gleichmäßig helles
Licht abgeben. Eine ungleiche Helligkeitsverteilung über einzelne
Lampen ist durch Fertigungstoleranzen bedingt und kann durch Selektion während des
Fertigungsprozesses kontrolliert werden. Die Ursachen für eine ungleichmäßige Helligkeit über der
Länge einer
einzelnen Lampe sind nachstehend erläutert.
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Kaltkathodenlampen
in Flüssigkristallanzeigen
werden mit einer hochfrequenten Wechselspannung über einen Wechselrichter, einen
so genannten Backlight-Inverter, versorgt. Ein Reflektor richtet
das von den Lampen emittierte Licht auf eine Diffusorplatte, welche
es auf eine Flüssigkristallplatte
lenkt und verteilt. Die Flüssigkristallplatte
ist in der Regel zwischen zwei Polarisationsplatten eingefügt. Die
gesamte Anordnung ist in einem Rahmen gehalten. Auf Grund der mechanischen
Anordnung des Wechselrichters und der Lampen in der Flüssigkristallanzeige ergeben
sich parasitäre
Kapazitäten
zwischen der Leuchtstoffröhre
und Masse, die dazu führen,
dass der effektive Lampenstrom vom Hochspannungsanschluss zum Niederspannungsanschluss
hin abnimmt. Dadurch kann sich eine abnehmende Helligkeit vom Hochspannungsanschluss
zum Niederspannungsanschluss ergeben. Dieses Problem verstärkt sich
in dem Fall, dass die Helligkeit der Leuchtstofflampe durch analoges
Dimmen zurückgenommen
wird. Der Lampenstrom kann dann im Bereich des Niederspannungsanschlusses
so stark abnehmen, dass die Lampe in diesem Bereich gar kein Licht
mehr abgibt. Durch die parasitären
Kapazitäten wird
somit in der Praxis auch der nutzbare analoge Dimmbereich begrenzt.
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Das
U.S. Patent 6,670,781 betrifft die Ansteuerung von Kaltkathodenlampen
für LC-Anzeigen und befasst
sich mit dem Problem, dass diese Lampen, insbesondere bei analogem
Dimmen, eine ungleiche Helligkeit abgeben und flackern. Zur Lösung dieses
Problems schlägt
das U.S. Patent 6,670,781 ein neues Ansteuerverfahren für Leuchtstofflampen vor,
welches eine vorgegebene Anzahl von Stromimpulsen verwendet. Das
U.S. Patent 6,670,781 befasst sich jedoch nicht mit dem Problem
der abnehmenden Helligkeit über
der Länge
einer Leuchtstofflampe auf Grund parasitärer Kapazitäten.
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Weitere
Leuchtstofflampen und insbesondere Kaltkathodenlampen für Flüssigkristallanzeigen sowie
zugehörige
Ansteuervorrichtungen sind zum Beispiel beschrieben in den U.S.
Patenten 6,538,373 und 6,108,215, um nur einige wenige Beispiele
zu nennen.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, eine Beleuchtungsanordnung anzugeben,
die eine Leuchtstofflampe und insbesondere eine Kaltkathodenlampe
aufweist, die sowohl im Normalbetrieb als auch über einen weiten Dimmbereich
eine gleichmäßigere Helligkeit über ihre
gesamte Länge
erzeugt.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Beleuchtungsanordnung mit den Merkmalen
von Anspruch 1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung
umfasst wenigstens eine Leuchtstofflampe und insbesondere eine Kaltkathodenlampe
umfassend eine Röhre,
die wenigstens einen lichtemittierenden Bereich aufweist, einen
Hochspannungsanschluss an einem ersten Ende der Röhre und
einen Niederspannungsanschluss an einem zweiten Ende der Röhre. Solche
Röhren
sind in der Regel geradlinig, können
jedoch auch U-förmig
gebogen sein oder, anwendungsabhängig,
andere Formen haben. Im Stand der Technik bilden sich entlang der
gesamten Länge
der Röhre
parasitäre
Kapazitäten
zwischen der Röhre
und Masse, so dass der Lampenstrom vom Hochspannungsanschluss zum
Niederspannungsanschluss abnimmt. Um dies zu verhindern, sieht die
Erfindung benachbart dem lichtemittierenden Bereich der Röhre eine
elektrisch leitende Fläche
vor, die sich im wesentlichen über
die Länge
der Röhre
erstreckt, wobei auf die elektrisch leitende Fläche eine Spannung aufgebracht
wird, die dem Spannungsverlauf über
der Röhre
ungefähr
entspricht. Mit anderen Worten wird der im wesentlichen lineare Spannungsverlauf über der
Röhre,
auf der elektrisch leitenden Fläche
nachgebildet, so dass zwischen dieser und der Röhre über der gesamten Länge der Röhre im wesentlichen
keine Potenzialdifferenz besteht. Dadurch können sich zwischen der Röhre und der
elektrisch leitenden Fläche
keine parasitären
Kapazitäten
bilden, die einen Einfluss auf den Lampenstrom hätten.
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Die
Erfindung beruht auf einer aus der Messtechnik grundsätzlich bekannten
Methode, die Guarding genannt wird. Das Prinzip des Guarding beruht darauf,
dass parasitäre
Ströme
zwischen zwei leitenden Oberflächen
nur dann fließen
können,
wenn diese unterschiedliches Potenzial führen. In der Messtechnik werden
daher Guards eingesetzt, die auf demselben Potenzial wie ein zu
messendes Element liegen. Dabei liegt im Stand der Technik jeder
Guard jedoch auf einem konstanten Potenzial, wie beispielsweise
in dem U.S. Patent 6,147,851 beschrieben.
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In
diesem Zusammenhang sollte das Guarding nicht mit dem Abschirmen
einer elektrischen Vorrichtung verwechselt werden. Ein Schirm dient dazu,
magnetische oder elektrische Felder abzuschirmen, und liegt zu diesem
Zweck auf einem konstanten Bezugspotential. Ein Guard hat dagegen
die Aufgabe, parasitäre
Kapazitäten
unwirksam zu machen, und liegt zu diesem Zweck auf demselben Spannungspotential
wie die zu guardende elektrische Vorrichtung.
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Die
Erfinder haben nun erkannt, dass die aus der Messtechnik grundsätzlich bekannte
Technik des Guarding in Anzeigen und insbesondere Flüssigkristallanzeigen
in abgewandelter Form erfolgreich dazu eingesetzt werden kann, einen
konstanten Lampenstrom in einer Leuchtstofflampe aufrechtzuerhalten. Dazu
ist es notwendig, dass die elektrisch leitende Fläche, d.h.
der Guard, wenigstens ungefähr
denselben Spannungsverlauf aufweist wie die Röhre. Es genügt somit nicht, einen Guard
mit konstantem Spannungspotential vorzusehen, wie er aus der Messtechnik
bekannt ist.
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Die
elektrisch leitende Fläche
ist vorzugsweise mit Abstand zu der Röhre angeordnet, wobei jedoch
auch denkbar ist, dass sie als eine Beschichtung auf die Röhre aufgebracht
wird.
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In
einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung wird die elektrisch leitende Fläche durch eine flächige Elektrode
mit mehreren, getrennten Elektrodenabschnitten gebildet, wobei sich
die elektrisch leitende Fläche
im wesentlichen über
die gesamte Länge
der Röhre
von dem ersten zu dem zweiten Ende der Röhre erstreckt. Die Elektrodenabschnitte
sind vorzugsweise durch Kondensatoren miteinander verbunden, welche
einen Spannungsteiler bilden. In dieser Ausführung ist die elektrisch leitende
Fläche
an ihren dem ersten und dem zweiten Ende der Röhre zugeordneten Enden mit
dem Hochspannungsanschluss bzw. dem Niederspannungsanschluss verbunden.
Dadurch erhält
man eine Anordnung, bei der die elektrisch leitende Fläche aus
mehreren durch Kondensatoren miteinander verbundenen Elektrodenabschnitten
gebildet ist, wobei ein Ende der elektrisch leitenden Fläche mit
dem Hochspannungsanschluss verbunden ist und das andere mit dem
Niederspannungsanschluss verbunden ist, so dass sich über den
Elektrodenabschnitten ein Potenzialverlauf ergibt, der im wesentlichen
dem Potenzialverlauf über
der Leuchtstoffröhre
entspricht. Je mehr Elektrodenabschnitte vorgesehen werden, desto
besser wird der Potenzialverlauf über der Röhre nachgebildet. Die elektrisch
leitende Fläche,
die im wesentlichen denselben Spannungsverlauf wie die Röhre hat,
ist in unmittelbarer Nähe
der Röhre
angeordnet und verhindert, dass sich parasitäre Kapazitäten zwischen der Röhre und
der Umgebung bilden. In der Praxis werden andererseits auf die elektrisch
leitende Schicht parasitäre
Kapazitäten
wirken, da diese einen Potenzialunterschied zur Umgebung, d.h. Masse,
aufweist. Diese parasitären
Kapazitäten
wirken sich jedoch nur auf den Spannungsverlauf im Guard und somit
nicht direkt auf den Lampenstrom und damit die Helligkeit der Leuchtstofflampe
aus.
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In
einer anderen Ausführung
der Erfindung ist die elektrisch leitende Fläche in mehrere Abschnitte aufgeteilt,
welche entlang der Röhre
angeordnet sind. Jeder Abschnitt ist mit einem anderen Spannungspotential
gekoppelt, wobei die Abschnitte jedoch nicht direkt durch einen
Spannungsteiler miteinander verbunden sind. Ein Abschnitt der elektrisch leitenden
Fläche,
der näher
bei dem Hochspannungsanschluss der Röhre liegt, wird ein Spannungspotential
aufweisen, das höher
ist als das Spannungspotential eines Abschnitts, der näher bei dem
Niederspannungsanschluss der Röhre
liegt. Diese konstruktiv sehr einfache Ausführung hat jedoch den Nachteil,
dass für
jeden Abschnitt der elektrisch leitenden Fläche eine eigene Spannungsversorgung
vorgesehen werden muss, die von dem Hochspannungsanschluss abgeleitet
sein kann. Auch bei dieser einfachen Ausführung ist natürlich ein
kapazitiver Spannungsteiler möglich.
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In
einer besonders einfachen Ausführung der
Erfindung sind zwei Abschnitte vorgesehen, wobei der Abschnitt,
der näher
bei dem Hochspannungsanschluss liegt, ein Potenzial von ungefähr 3/4 der
Hochspannung aufweist, und der Abschnitt, der näher bei dem Niederspannungsanschluss
liegt, ein Potenzial von ungefähr
3/8 der Hochspannung aufweist. Geht man von einem Beispiel aus,
bei dem der Hochspannungsanschluss mit 800 V Wechselspannung versorgt
wird und der Niederspannungsanschluss auf Masse liegt, so beträgt bei dieser
sehr einfachen Ausführung
das Potenzial des ersten Abschnitts der elektrisch leitenden Fläche ca.
600 V und das Potenzial des zweiten Abschnitts der elektrisch leitenden
Fläche
ca. 300 V. Unter der Voraussetzung, dass sich die beiden Abschnitte
der elektrisch leitenden Flächen
jeweils über
eine Hälfte
der Länge
der Röhre
erstrecken, beträgt
somit die Potenzialdifferenz zwischen der Röhre und der elektrisch leitenden Fläche in keinem
Fall mehr als 200 V, so dass parasitäre Kapazitäten deutlich verringert werden
können.
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In
einer Ausführung
der Erfindung ist die elektrisch leitende Fläche im wesentlichen eben und erstreckt
sich parallel zu der Leuchtstoffröhre im wesentlichen über deren
gesamte Länge.
Sofern die Beleuchtungsanordnung mehrere, nebeneinander liegende
Leuchtstoffröhren
umfasst, kann die elektrisch leitende Fläche so ausgebildet sind, dass
sie sich parallel zu den mehreren Leuchtstoffröhren erstreckt.
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In
einer anderen Ausführung
der Erfindung ist die elektrisch leitende Fläche im wesentlichen U-förmig und
kann teilweise um jeweils eine Leuchtstoffröhre gelegt werden. Während die
zuerst genannte Ausführung
relativ einfach herstellbar ist, hat die zweite Ausführung den
Vorteil, dass parasitäre Kapazitäten zwischen
der Leuchtstoffröhre
und Masse noch stärker
verringert werden können.
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In
einer besonders zweckmäßigen Ausführung der
Erfindung ist die elektrisch leitende Fläche auf einer Leiterplatte
aufgebracht oder in eine Leiterplatte eingebettet.
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Die
Erfindung sieht auch eine Flüssigkristallanzeige
mit wenigstens einer Beleuchtungseinrichtung der oben beschriebenen
Art vor. Die Flüssigkristallanzeige
umfasst einen Reflektor, der das von der Leuchtstofflampe emittierte
Licht auf eine Diffusorplatte reflektiert, die Diffusorplatte und
eine der Diffusorplatte nachgeschaltete Flüssigkristallplatte. Der Flüssigkristallplatte
können
eine oder mehrere Polarisationsplatten zugeordnet sein. Die Komponenten der
Flüssigkristallplatte
bilden einen geschichteten Aufbau und sind in der Regel in einem
Rahmen gehalten. Erfindungsgemäß kann die
elektrisch leitende Fläche
in eine dieser Schichten integriert oder auf eine solche aufgebracht
werden. Beispielsweise kann die elektrisch leitende Fläche auf
den Reflektor aufgebracht werden oder den Reflektor selbst bilden. In
einer anderen Ausführung
kann die elektrisch leitende Fläche
durch eine auf die Diffusorplatte aufgebrachte elektrisch leitende
Schicht gebildet sein.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung mit Bezug auf die Zeichnungen. In den Figuren zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Leuchtstofflampe gemäß dem Stand
der Technik zur Erläuterung
des der Erfindung zugrunde liegenden Problems;
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2 eine
schematische Darstellung einer Beleuchtungsanordnung mit einer Leuchtstofflampe gemäß der Erfindung;
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3 eine
schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Beleuchtungsanordnung
gemäß der Erfindung;
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4 eine
schematische Darstellung einer dritten Ausführung der Beleuchtungsanordnung
gemäß der Erfindung;
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5 eine
vereinfachte perspektivische Darstellung einer Beleuchtungsanordnung
gemäß der zweiten
Ausführung
der Erfindung;
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6 eine
vereinfachte perspektivische Darstellung einer Beleuchtungsanordnung
gemäß der dritten
Ausführung
der Erfindung;
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7 eine
schematische Darstellung einer weiteren Ausführung der Beleuchtungsanordnung gemäß der Erfindung;
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8 eine
vergrößerte Detailansicht
der Ausführung
der 7 zur Erläuterung;
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9 eine
weiter schematisierte Darstellung der Ausführung der 7 zur
Erläuterung;
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10 eine
schematische Schnittdarstellung durch eine Leiterplattenstruktur
zur Realisierung der Ausführung
der 7;
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11 eine
Draufsicht auf die Leiterplattenstruktur der 10; und
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12 eine
Unteransicht der Leiterplattenstruktur der 10;
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13 eine
vereinfachte perspektivische Darstellung der Leiterplattenstruktur
der 10; und
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14 eine
schematische perspektivische Darstellung einer Flüssigkristallanzeige
gemäß dem Stand
der Technik.
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14 zeigt
schematisch die Komponenten einer üblichen Flüssigkristallanzeige gemäß dem Stand
der Technik. Die Flüssigkristallanzeige
umfasst eine oder mehrere Leuchtstoffröhren, insbesondere Kaltkathodenlampen 202,
einen Reflektor 204, eine Diffusorplatte 206,
eine Flüssigkristallplatte 208 und
Polarisationsplatten 210, in welche die Flüssigkristallplatte 208 eingebettet
ist. Die Kaltkathodenlampen 202 weisen eine Wechselstromversorgung auf,
die in der Figur nicht gezeigt ist. Ein Wechselrichter (Backlightinverter),
der in der Figur ebenfalls nicht gezeigt ist, wandelt eine Gleichspannung
in eine Wechselspannung zur Ansteuerung der Kaltkathodenlampe 202 um. Üblicherweise
ist auch ein Regelschaltkreis (nicht gezeigt) vorgesehen, der den
an die Kaltkathodenlampe 202 gelieferten Strom regelt.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung
kann beispielsweise als Hintergrundbeleuchtung (Backlight) in einer
derartigen Flüssigkristallanzeige
eingesetzt werden.
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1 zeigt
eine Leuchtstofflampe 10 gemäß dem Stand der Technik. Die
Leuchtstofflampe 10 ist beispielsweise eine Kaltkathodenlampe
(CCFL), die eine Röhre 12 mit
einem Hochspannungsanschluss 14 und einem Niederspannungsanschluss 16 aufweist.
Der Hochspannungsanschluss 14 ist mit einer Stromquelle
(nicht gezeigt) verbunden, die eine hochfrequente Wechselspannung
(Betriebsspannung Uhv) im Bereich von z.B.
500 bis 1000 V bei etwa 50 bis 100 kHz liefert. Der Niederspannungsanschluss 16 ist
vorzugsweise mit Masse verbunden. Wenn an der Röhre 12 die Betriebsspannung
(Uhv) anliegt, fließt durch diese ein Lampenstrom
Ilamp. Ferner bilden sich über der
Länge der
Lampe zwischen der Röhre 12 und
Masse parasitäre
Kapazitäten
Cpara 18, durch die ein parasitärer Strom
Ipara gegen Masse fließt. Die parasitären Kapazitäten 18 bewirken,
dass der Lampenstrom Ilamp vom Hochspannungsanschluss 14 gegen
Masse 16 abnimmt. Hieraus resultiert eine ungleichmäßige Helligkeit
der Leuchtstofflampe 10 über ihre Länge.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung der Beleuchtungsanordnung gemäß der Erfindung. Die
Beleuchtungsanordnung umfasst wenigstens eine Leuchtstofflampe 20,
insbesondere eine Kaltkathodenlampe, die eine Röhre 22, einen Hochspannungsanschluss 24 und
einen Niederspannungsanschluss 26 aufweist. Parallel zu
der Leuchtstoffröhre 22 ist
eine elektrisch leitende Fläche
(Guard) 28 vorgesehen, welche mehrere leitende Abschnitte
oder Elektrodenabschnitte 30 aufweist. Die Elektrodenabschnitte
sind durch Kapazitäten 32 miteinander
verbunden und bilden gemeinsam die elektrisch leitende Fläche 28,
die mit dem Hochspannungsanschluss 24 und dem Niederspannungsanschluss
(in der gezeigten Ausführungsform
Masse) 26 verbunden ist.
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Zusätzlich zu
den dargestellten Kondensatoren 32 könnten in einer Abwandlung der
gezeigten Ausführung
ein weiterer Kondensator zwischen dem Hochspannungsanschluss 24 und
dem Hochspannungsanschluss 24 nächstliegenden Elektrodenabschnitt 30 sowie
zwischen dem Niederspannungsanschluss 26 und dem Niederspannungsanschluss
am nächsten
liegenden Elektrodenabschnitt 30 vorgesehen sein.
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Die
Elektrodenabschnitte 30 und die Kondensatoren 32 sind
so konfiguriert, dass die Elektrodenabschnitte 30 ein Wechselspannungspotential führen, das
dem Wechselspannungspotential in dem jeweils gegenüberliegenden
Bereich der Röhre 22 der
Leuchtstofflampe 20 weitgehend entspricht. Dadurch können Potenzialunterschiede
zwischen der elektrisch leitenden Fläche 28 und der Röhre 22 minimiert
werden. Aus der gezeigten Ausführung
ergibt sich, dass die Elektrodenabschnitte 30 der elektrisch leitenden
Fläche 28 nicht
notwendig gleich groß oder regelmäßig angeordnet
sein müssen.
Auch ist es möglich, über einen
Endbereich der Röhre 22 benachbart
dem Niederspannungsanschluss 26 keinen Guard vorzusehen,
weil in diesem Bereich der Potenzialunterschied zu Masse auch ohne
Guard gering ist. Ein Fachmann wird ohne unzumutbaren Aufwand eine
geeignete Anordnung treffen können.
Die Kondensatoren 32 sind vorzugsweise, jedoch nicht notwendig
gleich groß,
um eine weitgehend gleichmäßige Verteilung
der Betriebswechselspannung am Hochspannungsanschluss 24 über der
Länge der elektrisch
leitenden Fläche 28 zu
ermöglichen.
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Ziel
der Anordnung ist es, dass auf der elektrisch leitenden Fläche 28 wenigstens
ungefähr
ein Potenzialverlauf erzeugt wird, der dem Potenzialverlauf über der
Röhre 22 entspricht,
so dass sich zwischen der Röhre 22 und
der elektrisch leitenden Fläche 28 bzw.
den Elektrodenabschnitten 30 nur geringe parasitäre Kapazitäten bilden.
Dadurch verringern sich die parasitären Ströme, so dass der Lampenstrom
Ilamp über
die gesamte Länge
der Röhre 22 vom Hochspannungsanschluss 24 zum
Niederspannungsanschluss 26 nahezu konstant ist. Dadurch kann
erreicht werden, dass die Leuchtstofflampe 20 über ihre
gesamte Länge
eine gleichmäßigere Lichtmenge
abgibt.
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Wie
in 2 gezeigt, werden sich zwischen der elektrisch
leitenden Fläche 28 und
Masse parasitäre
Kapazitäten
Cpara 34 bilden. Diese beeinflussen jedoch
nicht unmittelbar den Strom durch die Leuchtstofflampe 20 und
somit auch nicht die Helligkeitsverteilung der Leuchtstofflampe.
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Die
elektrisch leitende Fläche 28 sollte zweckmäßig so angeordnet
werden, dass sie zwischen der Röhre 22 und
beispielsweise einem massepotentialführenden Rahmen oder einem anderen
nahe gelegenen Bauteil der Beleuchtungsanordnung, welches auf Massepotential
liegt, angeordnet ist.
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3 zeigt
schematisch eine weitere Ausführung
der Beleuchtungsanordnung gemäß der Erfindung.
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In
dieser Ausführung
ist an dem Hochspannungsanschluss 24 der Leuchtstofflampe 20 eine Wechselspannung
von 800 V angelegt, und der Niederspannungsanschluss 26 liegt
auf Masse. Der Verlauf des Spannungspotentials über der Länge der Leuchtstofflampe 20 ist
schematisch durch Angabe der Spannungsamplituden 800V, 600V, 400V,
200V und 0V angegeben. In der Praxis ist der Spannungsverlauf über der
Länge der
Röhre 22 näherungsweise aber
nicht notwendig vollständig
linear.
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In
der Ausführung
der 3 werden lediglich zwei Elektrodenabschnitte vorgesehen,
die jeweils auf einem festen Wechselspannungspotential liegen, das
mit der Wechselspannung an der Leuchtstoffröhre 22 in Phase ist.
Durch geeignete Anordnung der zwei Elektrodenabschnitte 36, 38 sowie
durch geeignete Auswahl des Potenzials kann erreicht werden, dass
bei dem gezeigten Beispiel die Spannungsdifferenz zwischen der elektrisch
leitenden Fläche 28,
bestehend aus den zwei Elektrodenabschnitten 36, 38, und
der Leuchtstoffröhre 22 nie
größer als
beispielsweise 150 V ist. Hierzu wird der Elektrodenabschnitt 36 so
angeordnet, dass er dem Bereich der Leuchtstoffröhre 22 gegenüberliegt,
der ein Potenzial zwischen 800 und 500 V führt, wobei dieser Elektrodenabschnitt 36 eine
Wechselspannung von 650 V aufweist. Der zweite Elektrodenabschnitt 38 liegt
einem Bereich der Leuchtstoffröhre 22 gegenüber, der
eine Spannung von 500 bis 150 V führt, und weist selbst eine
Wechselspannung von 300 V auf. Dem Bereich der Leuchtstoffröhre, der
eine Spannung von 150 bis 0 V führt,
ist kein Elektrodenabschnitt zugeordnet, so dass dieser unmittelbar
Masse gegenüberliegt. Durch
diesen sehr einfachen Aufbau wird die maximale Potenzialdifferenz
zwischen der Leuchtstoffröhre
200 und Masse von 800 V auf 150 V verringert, so dass entsprechend
geringere parasitäre
Kapazitäten und
parasitäre
Ströme
auftreten. Die in 3 gezeigte Ausführung hat
den Vorteil, dass sie sehr einfach aufgebaut ist, sie hat jedoch
den Nachteil, dass sichergestellt werden muss, dass die an den Elektrodenabschnitten 36, 38 anliegenden
Wechselspannungen mit der Versorgungswechselspannung an dem Hochspannungsanschluss 24 in
Phase sind, weil sich andernfalls parasitäre Effekte sogar noch verstärken könnten.
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4 zeigt
eine weitere Ausführung
der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung,
die der Ausführung
der 2 ähnlich
ist. Die Leuchtstoffröhre 22 ist
zwischen einer Wechselspannung von beispielsweise 800 V und Masse
angeschlossen. Parallel zu der Leuchtstoffröhre 22 ist eine elektrisch
leitende Fläche 28 vorgesehen,
die mehrere Elektrodenabschnitte 40 aufweist, die über Kondensatoren 42 miteinander
gekoppelt sind. Wie aus 4 ersichtlich, sind die Elektrodenabschnitte 40 nicht gleichmäßig über die
Länge der
Leuchtstoffröhre 22 verteilt,
um einen nicht linearen Spannungsverlauf über der Länge der Röhre nachzubilden. Vorzugsweise
werden gleichgroße
Kondensatoren 42 verwendet, um einen gleichmäßigen Spannungsteiler
zu bilden. Die Anzahl der Elektrodenabschnitte 40 und somit
der Kondensatoren 42 ist frei wählbar, um eine beliebig feine
Abstufung des Potenzialverlaufs auf der elektrisch leitenden Fläche 28 einzustellen. Durch
die Kondensatoren 42 wird aus der Versorgungsquelle der
Leuchtstofflampe 20 lediglich ein Blindstrom geringer Größe gezogen.
Die Kondensatoren 42 sind erheblich größer als die parasitären Kapazitäten, welche
sich zwischen der elektrisch leitenden Fläche 28 und Masse bilden
werden (siehe 2). Da keine ohmschen Lasten
und Induktivitäten
vorgesehen sind, ist sichergestellt, dass die Spannung an den Elektrodenabschnitten 40 zu
der Eingangswechselspannung am Hochspannungsanschluss 24 phasengleich
ist. Die Kondensatoren 42 haben vorzugsweise eine Kapazität im Bereich
von einigen Picofarad (pF). Die Wahl der Kondensatoren ist jedoch
abhängig
von der Anzahl der Elektrodenabschnitte 40 sowie von der
Versorgungsspannung am Hochspannungsanschluss 24.
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5 und 6 zeigen
schematisch eine praktische Ausführung
für die
Beleuchtungsanordnungen der 3 bzw. 4.
Entsprechende Elemente sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und
hier nicht nochmals beschrieben. Die Elektrodenabschnitte 36, 38, 40 werden
bei dieser Ausführung
durch gebogene dünne
Metallplatten gebildet, die über
Kondensatoren 42, 44 miteinander verbunden sind.
In 5 sind drei Kondensatoren 44 gezeigt,
die einen Spannungsteiler zum Ableiten der Wechselspannungen an
den Elektrodenabschnitten 36 und 38 aus der Betriebsspannung
(Uhv) bilden. Alternativ könnten die
Elektrodenabschnitte 36, 38 ihre Versorgungsspannungen
aus zusätzlichen
externen Quellen erhalten.
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7 zeigt
schematisch, wie eine Beleuchtungsanordnung gemäß der Erfindung in einer alternativen
Ausführung
in der Praxis aufgebaut werden kann. Die in 7 gezeigte
Ausführung
entspricht vom Grundsatz her der Ausführung, die mit Bezug auf 4 beschrieben
wurde. Die Beleuchtungsanordnung der 7 umfasst
eine Leuchtstofflampe 20, die aus einer Röhre 22 mit
einem Hochspannungsanschluss 24 und einem Niederspannungsanschluss 26 besteht.
Wie in 4 ist auch in 7 der Potenzialverlauf
der Röhre 22 schematisch
durch die Spannungswerte 800V, 600V, 400V, 200V, 0V angedeutet.
Parallel und benachbart zu der Röhre 22 ist eine
elektrisch leitende Fläche 28 angeordnet,
die aus zwei Gruppen von Elektrodenabschnitten 46, 52 gebildet
ist. Die Elektrodenabschnitte 46, 52 sind über Kondensatoren 48 gekoppelt,
wie sich aus 8 ergibt, die eine vergrößerte Darstellung
des Ausschnitts A in 7 ist. 9 zeigt
ein schematisches Ersatzschaltbild der Elektrodenanordnung der 7 und 8.
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Die
Ausführung
der 7 bis 9 kann wie in den 10 bis 13 gezeigt
realisiert werden, wobei 10 bis 13 nur
die elektrisch leitende Fläche 28 zeigen.
Die Elektrodenabschnitte 46 werden durch elektrische Leiter
gebildet, welche auf die Oberseite einer Leiterplatte 50 aufgebracht
oder in diese eingebettet sind. Die Kondensatoren 48, die in 13 schematisch dargestellt
sind, werden dadurch gebildet, dass den Elektrodenabschnitten 46 auf
der gegenüberliegenden
Seite (Unterseite) der Leiterplatte 50 weitere Elektrodenabschnitte 52 zugeordnet
sind, wobei die Elektrodenabschnitte 46 auf der Oberseite
der Leiterplatte 50 und die weiteren Elektrodenabschnitte 52 auf
der Unterseite der Leiterplatte 50 jeweils wie Kondensatorplatten
wirken, welche zwischen sich einen Kondensator 48 bilden, wie
in 13 angedeutet. Das Material der Leiterplatte 50 wirkt
dabei als Dielektrikum. Die Leiterplatte 50 kann beispielsweise
aus FR4, epoxidharzgetränkter
Glasfaser, Kunststoff-Folien, Kepton oder anderen geeigneten Materialien,
hergestellt sein.
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In
einer ersten Variante bilden nur die Elektrodenabschnitte 46 auf
der Oberseite der Leiterplatte 50 die elektrisch leitende
Fläche 28,
welche sich parallel zu der Röhre 22 benachbart
zu dieser erstreckt. Sie ist an den Hochspannungsanschluss 24 sowie
den Niederspannungsanschluss 26 angeschlossen. Die Elektrodenabschnitte 46 weisen
somit ungefähr
denselben Potenzialverlauf auf wie die Röhre 22, die an denselben
Anschlüssen 24, 26 liegt. Um
den Potenzialverlauf der elektrisch leitenden Fläche 28 noch feiner
aufzulösen,
ist es möglich,
die Elektrodenabschnitte 52 auf der Unterseite der Leiterplatte 50 über Durchkontaktierungen 54 mit
der Oberseite der Leiterplatte 50 zu verbinden. Hierzu sind
Gegenelektroden 56 auf der Oberseite der Leiterplatte 50 ausgebildet.
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Die
Leiterplatte 50, auf bzw. in der die elektrisch leitende
Fläche 28 gemäß der Erfindung
ausgebildet ist, wird mit ihrer Oberseite benachbart einer Leuchtstofflampe 20,
beispielsweise anstelle des Reflektors, in einer Flüssigkristallanzeige
angeordnet. Zu diesem Zweck kann die Leiterplatte 50 mit
einer reflektierenden Oberfläche
versehen sein.
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Wenn
beispielsweise in einer Flüssigkristallanzeige
als Hintergrundbeleuchtung mehrere Leuchtstofflampen, und insbesondere
Kaltkathodenlampen, parallel nebeneinander angeordnet sind, kann
die Leiterplatte 50 so modifiziert werden, dass sie sich
parallel zu allen Leuchtstofflampen erstreckt, wobei die Elektrodenabschnitte 46, 52, 56 durch Streifen
gebildet würden,
welche senkrecht zu der Längsachse
jeder Leuchtstoffröhre 22 verlaufen.
Bei geeigneter Materialwahl für
die Leiterplatte 50 und die Elektrodenabschnitte 46, 52 könnten diese
auch als Teil einer Diffusorplatte in einer LC-Anzeige ausgebildet
werden, sofern die optischen Anforderungen an eine Diffusorplatte
erfüllt
werden.
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Mit
der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung
ist es möglich,
eine Hintergrundbeleuchtung für
eine Flüssigkristallanzeige
zu schaffen, die aus mehreren Leuchtstofflampen und insbesondere Kaltkathodenlampen
aufgebaut ist, die über
ihre gesamte Länge
eine konstante Lichtintensität
abgeben. Durch Vorsehen der elektrisch leitenden Fläche mit demselben
Potenzialverlauf wie die Röhre
können parasitäre Kapazitäten zwischen
der Röhre
und Masse weitgehend verhindert werden. Dadurch kann eine gleichmäßige Helligkeit
der Leuchtstoffröhre auch
dann noch erreicht werden, wenn diese abgedimmt wird, also mit im
Vergleich zu ihrer Betriebsspannung niedrigerer Wechselspannung
versorgt wird. Weitere störende
Effekte, wie Flackern oder Musterbildung der Leuchtstofflampen kann
vermieden werden.
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Die
Leistungsaufnahme der elektrisch leitenden Fläche ist äußerst gering, wobei diese auf
Grund der kapazitiven Kopplung der Elektrodenabschnitte nur Blindstrom
aus der Stromversorgung der Leuchtstofflampe zieht. Die Leistungsaufnahme
wird nach Erwartungen der Erfinder im Bereich von 1 bis 5 % der
Gesamtleistungsaufnahme der Leuchtstofflampe liegen.
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Die
Erfindung ermöglicht
sowohl einen größeren analogen
Dimmbereich für
Leuchtstofflampen als auch die Realisierung von größeren Lampenlängen als
im Stand der Technik, wobei die Leuchtstofflampenlängen 1 m
und mehr betragen können.
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Die
Erfindung ist grundsätzlich
anwendbar auf sämtliche
Leuchtstoffröhren,
die mit einer relativ hochfrequenten Wechsel-Hochspannung betrieben werden,
die beispielsweise im Bereich von 50 bis 100 kHz und 500 bis 1000
V liegt. Da Probleme mit einem ungleichmäßigen Helligkeitsverlauf über der
Länge der
Leuchtstoffröhre
in der Praxis häufig
erst ab Längen
von mehr als 30 cm auftreten, ist die Erfindung besonders sinnvoll
einsetzbar für
Leuchtstoffröhren mit
großer
Längsausdehnung
von mehr als 30 cm. Die Erfindung ist auch einsetzbar bei gebogenen,
spiralförmig
oder anders geformten Röhren,
bei denen das Problem der parasitären Kapazitäten und somit parasitären Ströme noch
stärker
sein kann als bei geradlinigen Röhren.
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Die
Kapazitäten
zum Aufbauen eines Spannungsteilers für die elektrisch leitende Fläche sollten um
wenigstens zwei Größenordnungen
größer sein als
die zu erwartenden parasitären
Kapazitäten;
sie werden sich abhängig
von den Spannungsschritten zwischen zwei benachbarten Elektrodenabschnitten in
der Größenordnung
von einigen Picofarad (pF) bewegen.
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Die
elektrisch leitende Fläche
kann grundsätzlich
als Folie oder dünne
Platte ausgebildet oder in eine Leiterplatte integriert sein. Sie
kann bei einer Flüssigkristallanzeige
auf der Rückseite
der Leuchtstofflampe angeordnet sein, wobei sie in diesem Fall vorzugsweise
reflektierend ist, oder auf ihrer Vorderseite, wobei sie in diesem
Fall lichtdurchlässig
sein sollte.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten
Merkmale können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung
der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
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- 10
- Leuchtstofflampe
- 12
- Röhre
- 14
- Hochspannungsanschluss
- 16
- Niederspannungsanschluss,
Masse
- 18
- parasitäre Kapazitäten
- 20
- Leuchtstofflampe
- 22
- Röhre
- 24
- Hochspannungsanschluss
- 26
- Niederspannungsanschluss,
Masse
- 28
- elektrisch
leitende Fläche
(Guard)
- 30
- Elektrodenabschnitte
- 32
- Kondensatoren
- 34
- parasitäre Kapazitäten
- 36,
38
- Elektrodenabschnitte
- 40
- Elektrodenabschnitte
- 42
- Kondensatoren
- 44
- Kondensatoren
- 46
- Elektrodenabschnitte
- 48
- Kondensatoren
- 50
- Leiterplatte
- 52
- Elektrodenabschnitte
- 54
- Durchkontaktierungen
- 56
- Gegenelektroden
- 202
- Kaltkathodenlampen
- 204
- Reflektor
- 206
- Diffusionsplatte
- 208
- Flüssigkristallplatte
- 210
- Polarisationsplatten
- Ilamp
- Lampenstrom
- Uhv
- Betriebsspannung
- Gnd
- Masse
- Cpara
- parasitäre Kapazitäten
- Ipara
- parasitärer Strom