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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der tragbaren oder batteriebetriebenen
Beleuchtungserzeugnisse. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung
auf tragbare, batteriebetriebene Taschenlampen.
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Taschenlampen
werden verwendet, um eine Vielzahl von Bedürfnissen aus den Bereichen
Haushalt, Arbeitsplatz und Freizeit abzudecken. Gewöhnliche
Taschenlampen enthalten oft einen Kopf, der eine relativ fragile
Glühbirne
aufweist, und einen zylindrischen Körper, welcher ausgestaltet
ist, um Batterien aufzunehmen. Ein Schalter, der üblicherweise in
dem Körper
befestigt ist, komplettiert einen Schaltkreis zwischen den Batterien
und der Glühlampe.
Ein Parabolspiegel oder -reflektor ist im Kopf angeordnet, wobei
das Leuchtelement bzw. die Leuchtelemente der Glühlampe an dem Brennpunkt des
Spiegels angeordnet sind. Der Spiegel richtet Strahlen von Licht
von dem Leuchtelement nach vorne in eine parallele Richtung aus
und erzeugt einen nutzbaren Lichtstrahl, wie in 1A dargestellt
ist. Manchmal sind solche Taschenlampen mit Gummi-O-Ringen ausgestattet,
um einen wasserdichten Verschluss an der Taschenlampe auszubilden.
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Viele
Taschenlampen werden ungenutzt während
langer Zeitperioden gelagert und können dann in Anspruch genommen
werden, um kurzfristig für
lange Zeiträume
Licht zu erzeugen. Andere Taschenlampen werden häufig verwendet und unterliegen
extremen Außeneinwirkungen,
wie zum Beispiel Stößen oder
Temperaturen. In beiden Fällen
ist ein Defekt der fragilen Glühlampe
der Taschenlampe ein nur allzu häufig
auftretendes Phänomen,
wodurch dem Benutzer eine nutzbare Lichtquelle genommen wird. Aus
Gründen
der Zeitersparnis wird oftmals die gesamte Taschenlampe und nicht
nur die Glühlampe ersetzt,
was den Verlust einer Glühlampe
relativ teuer macht.
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50%
des von dem Leuchtelement erzeugten Lichts geht an dem Parabolspiegel
vorbei (entweder nach vorne oder nach hinten), wodurch ein großer Anteil
des Lichts weit in viele Richtungen abgestrahlt wird, wie in 1B dargestellt
ist. Ist dieses periphere Licht auch manchmal nutzbar, so ist es
in vielen Situationen doch einfach nur vergeudetes Licht. Ein anderes
häufig
auftretendes Problem bei solchen Taschenlampen sind Batterien, die
nicht für eine
ausreichend langen Zeitraum Licht erzeugen, insbesondere wenn die
Taschenlampe benutzt oder aber gelagert wurde. Ein weiteres Problem
besteht darin, dass, wenn die Leuchtelemente der Glühlampe nicht
präzise
am Brennpunkt des Parabolspiegels angebracht sind, das Licht, welches
auf den Spiegel fällt,
nicht in einen parallelen Lichtstrahl gerichtet wird, so dass die Effektivität und Effizienz
der Taschenlampe weiter verringert werden.
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Dementsprechend
gab es einen klaren Bedarf nach einer Taschenlampe mit langer Lebensdauer,
die so ausgestaltet ist, dass sie einen effektiven nutzbaren Lichtstrahl über einen
längeren
Zeitraum hinweg, insbesondere nach langer Lagerzeit, erzeugt. Die
vorliegende Erfindung erfüllt
diese und andere Voraussetzungen und weist weitere damit einhergehende
Vorteile auf.
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Die
US 5490045 offenbart eine
Lichtschrankenanordnung, welche ein Paar Linsenhälften umfasst, wobei jede Linse
einen inneren konkaven mittleren Oberflächenabschnitt und ein sich
von dem Rand des mittleren Oberflächenabschnitts in umlaufender
Richtung erstreckendes Band sowie eine LED-Lichtquelle aufweist.
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Die
generische Patentschrift
US 4530040 offenbart
eine Anordnung zur optischen Fokussierung umfassend einen Parabolreflektor,
eine Lichtquelle und eine Fresnellinse, die alle in einem Gehäuse angeordnet
sind, wobei ein Abschnitt des Lichts, das von der Lichtquelle abgestrahlt
wird, durch die Fresnellinse gebrochen wird und entlang einer Projektionsachse
parallel gerichtet wird, und wobei ein Teil des abgestrahlten Lichts
an dem Parabolreflektor entlang der Projektionsachse zurückgeworfen
wird.
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Die
US 5093768 offenbart eine
Lampe umfassend eine Vielzahl von kuppelförmigen Licht emittierenden
Dioden und eine Vielzahl von entsprechenden Parabolspiegeln.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Taschenlampe bereit, die dazu
ausgestaltet ist, um dauerhaft einen effektiven nutzbaren Lichtstrahl über lange
Zeiträume
hinweg zu erzeugen. Die Taschenlampe weist typischerweise einen
geringen Strombedarf auf und kommt aus diesem Grunde über lange
Zeiträume
hinweg mit einem bereitgestellten Batterieset aus. Wegen des geringen
Strombedarfs funktioniert sie im Allgemeinen mit dem begrenzten
Strom, der verfügbar
ist, wenn eine Batterie über
einen langen Zeitraum gelagert worden ist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird in einem ersten Aspekt eine Taschenlampe bereitgestellt,
umfassend: eine Linse, welche einen konvergenten Abschnitt und einen
nichtkonvergenten Abschnitt aufweist, wobei der konvergente Abschnitt
einen Brennpunkt umfasst; eine Beleuchtungsanordnung umfassend eine
LED, welche eine transparente Spitze und ein Lichtabstrahlelement
aufweist, eine Befestigungsstruktur und einen Parabolreflektor,
wobei die LED einen divergenten Lichtstrahl abgibt und wobei die
LED und der Parabolreflektor mit der Befestigungsstruktur verbunden
sind; ein Gehäuse,
das in geeigneter Weise die Beleuchtungsanordnung aufnimmt, so dass
die Beleuchtungsanordnung und die Linse in dem Gehäuse untergebracht
sind; wobei die Beleuchtungsanordnung derart ausgestaltet ist, dass das
Lichtabstrahlelement der LED an dem Brennpunkt des konvergenten
Abschnitts der Linse angeordnet ist und die transparente Spitze
der LED an dem Brennpunkt des Parabolreflektors angeordnet ist,
und der divergente Lichtstrahl aus der LED durch den konvergenten
Abschnitt der Linse fällt,
so dass es in einem ersten Strahl aus parallelem Licht austritt, und
der Parabolreflektor Licht aus der LED in einen zweiten Strahl aus
parallelem Licht zurückwirft,
welcher parallel zu dem ersten Strahl aus parallelem Licht ist und
durch den nichtkonvergenten Abschnitt der Linse austritt.
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Andere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden
ausführlichen
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und der begleitenden
Zeichnungen, die beispielhaft die Prinzipien der Erfindung darstellen,
ersichtlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1A ist
eine schematische Darstellung eines nutzbaren Lichtstrahls, der
von einer typischen Glühlampe
einer normalen Taschenlampe aus dem Stand der Technik erzeugt wird.
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1B ist
eine schematische Darstellung von vergeudetem Licht, das durch eine
typische Glühlampe
in einer normalen Taschenlampe aus dem Stand der Technik erzeugt
wird.
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2 ist
eine explodierte perspektivische Ansicht einer Taschenlampe, die
Merkmale der vorliegenden Erfindung enthält.
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3A ist
eine Vorderansicht der in 2 dargestellten
Taschenlampe.
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3B ist
eine Seitenansicht der in 2 dargestellten
Taschenlampe.
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3C ist
eine Rückansicht
der in 2 dargestellten Taschenlampe.
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4A ist
eine Draufsicht des Querschnitts der in 2 dargestellten
Taschenlampe.
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4B ist
eine Querschnittsansicht der in 2 dargestellten
Taschenlampe.
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5 ist
eine Seitenansicht einer gerichteten LED, wie sie in der in 2 dargestellten
Taschenlampe verwendet wird.
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6A und 6B sind
jeweils die Vorder- und Rückansicht
einer Linse, wie sie in der in 2 dargestellten
Taschenlampe verwendet wird.
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7A ist
eine Seitenansicht eines vorderen Abschnitts der Taschenlampe, wie
sie in der in 2 dargestellten Taschenlampe
verwendet wird, und stellt das gerichtete Licht der LED dar, das
durch die Linse parallel gerichtet wird.
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7B ist
eine Seitenansicht von nicht-gerichtetem Licht, das durch eine direktionale
LED durch innere Spiegelung abgestrahlt wird.
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7C ist
eine Seitenansicht eines vorderen Abschnitts der Taschenlampe, wie
sie in der in 2 dargestellten Taschenlampe
verwendet wird, und stellt einen beträchtlichen Abschnitt des abgestrahlten
nicht-direktionalen Lichts, das durch einen Parabolspiegel parallel
gerichtet wird, dar.
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7D ist
eine Seitenansicht eines vorderen Abschnitts der Taschenlampe, wie
sie in der in 2 dargestellten Taschenlampe
verwendet wird, und stellt sowohl das gerichtete LED-Licht als auch einen großen Abschnitt
des abgestrahlten nicht-direktionalen Lichts, das parallel gerichtet
wurde, dar.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine
Taschenlampe 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung wird in den 2, 3A–3C und 4A–4B gezeigt.
Die Taschenlampe umfasst einen vorderen Gehäuseabschnitt 12, eine
Linse 14, eine Beleuchtungsanordnung 16, einen
Gehäuseabschnitt 18,
eine Schalteranordnung 20 und einen hinteren Gehäuseabschnitt 22.
Der vordere Gehäuseabschnitt
ist eine hohle, näherungsweise zylindrische
Röhre mit
einer nach vorne zugewandten Öffnung 30 an
einem vorderen Ende 32 und einer mit Gewinde versehenen
nach hinten zugewandten Öffnung 34 am
hinteren Ende 36. Der hintere Gehäuseabschnitt ist eine hohle,
näherungsweise
zylindrische Röhre
mit einer mit Gewinde versehenen, nach vorne zugewandten Öffnung 40 an
einem vorderen Ende 42 und einer nach hinten zugewandten Öffnung 44 an
einem hinteren Ende 46. Das hintere Ende des vorderen Gehäuseabschnitts
und das vordere Ende des hinteren Gehäuseabschnitt sind dazu ausgestaltet,
um gewindeartig miteinander in Eingriff zu treten, um ein zylindrisches,
hohles Gehäuse
zu bilden, um die Linse, die Beleuchtungsanordnung, den Gehäuseabschnitt
und die Schalteranordnung aufzunehmen.
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Die
Taschenlampe 10 ist mit einem ersten Gummi-O-Ring 50 ausgestaltet,
welcher in geeigneter Weise zwischen der Linse 16 und dem
vorderen Ende 32 des vorderen Gehäuseabschnitts 12 aufgenommen
wird, um einen wasserdichten Verschluss über der nach vorne zugewandten Öffnung 30 zu
bilden. In entsprechender Weise ist die Taschenlampe 10 mit
einer Gummikappe 52 ausgestaltet, die in geeigneter Weise
zwischen der Linsen-Schalteranordnung 20 und
dem hinteren Ende 46 des hinteren Gehäuseabschnitts 22 aufgenommen
wird, um einen wasserdichten Verschluss über der nach hinten zugewandten Öffnung 44 zu
bilden.
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Des
Weiteren ist die Taschenlampe mit einem zweiten O-Ring 54 zwischen
dem hinteren Ende 36 des vorderen Gehäuseabschnitts und dem vorderen
Ende 42 des hinteren Gehäuseabschnitts 22 ausgestaltet,
um einen wasserdichten Verschluss zwischen dem vorderen und dem
hinteren Gehäuseabschnitt
zu bilden. Auf diese Art und Weise ist das Gehäuse (d.h. der kombinierte vordere
und hintere Gehäuseabschnitt)
wasserdicht.
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In
Bezug auf die 4A, 4B und 5 umfasst
die Beleuchtungsanordnung 16 eine leistungsstarke, weiße LED 60.
Bevorzugt ist die LED die einzige Lichtquelle in der Taschenlampe,
da bevorzugt keine Glühbirne
vorhanden ist. Die LED weist ein Leuchtelement 62 auf,
das beim Einschalten Lichtstrahlen erzeugt. Die LED umfasst des
Weiteren einen integrierten parabolischer Mikroreflektor 63, welcher
einen großen
Anteil (bevorzugt mehr als 50%) der Lichtstrahlen aus dem Leuchtelement
in einen divergenten Lichtstrahl 64 von einem Scheitelpunkt
durch eine transparente Spitze 66 der LED in einen Richtungswinkel 68 von
bevorzugt 20° richtet. Der
Scheitelpunkt ist normalerweise dort, wo das Leuchtelement angeordnet
ist. Bevorzugt zirka 10% des Lichts von dem Leuchtelement werden
direkt in den divergenten Lichtstrahl ohne vorige Reflexion an dem
Mikroreflektor abgestrahlt.
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Eine
bevorzugte LED ist die High-power White LED, NSPW500BS von NICHIA
CORPORATION aus Japan. Sie enthält
Stopper, die bei der Anordnung der LED helfen, und weist bevorzugte
elektrische und optische Charakteristika sowie bevorzugte Richtcharakteristika
des Lichts auf.
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In
Bezug auf 6A und 6B ist
die Linse 14 ein transparenter Körper umfassend einen kreisförmigen flachen
Abschnitt 80, der einen konzentrischen, kreisförmigen,
konvergenten Linsenabschnitt 82 umgibt. Der konvergente
Linsenabschnitt bildet eine bikonvexe Linse, welche einen Brennpunkt 84 auf
jeder Seite des konvergenten Linsenabschnitts aufweist, wobei jeder
Brennpunkt eine Brennweite entfernt von einem fokalen Mittelpunkt 86 des
konvergenten Linsenabschnitts liegt. Ein Flansch 88 umgibt
den flachen Abschnitt 80 und erhöht die Festigkeit der Linse
in dem umgebenden Bereich, wo sie den ersten O-Ring 50 gegen
das vordere Ende 32 des vorderen Gehäuseabschnitts 12 presst
(vgl. 2). Bevorzugt wird die Linse aus Akrylharz durch Spritzgießverfahren
hergestellt.
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Wie
in 2 und 7A dargestellt ist, umfasst
die Beleuchtungsanordnung 16 neben der LED 60 einen
Flansch 90, einen parabolischen Abschnitt 92,
Stützbeine 94 und
eine gedruckte Schaltungsplatine 96 mit zugehörigen Schaltungen 98,
die ausgestaltet sind, um die LED kompatibel mit Batterie-Stromstufen,
die in der Taschenlampe verfügbar sind,
zu machen. Eine parabolische Innenfläche 100 des parabolischen
Abschnitts 92 ist eine reflektierende, bevorzugt Spiegel-ähnliche
Oberfläche,
die einen Brennpunkt aufweist. In entsprechender Weise ist eine
Innenfläche 102 des
Flansches 90 der Beleuchtungsanordnung eine reflektierende,
bevorzugt Spiegel-ähnliche
Oberfläche.
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Der
Flansch 90 der Beleuchtungsanordnung ist dazu bemessen
und geformt, um in geeigneter Weise zwischen dem Linsenflansch 88 und
einem peripheren Abschnitt des kreisförmigen flachen Abschnitts 80 der
Linse aufgenommen zu werden, und dient so der Anordnung der LED 60 in
Bezug auf den konvergenten Linsenabschnitt 82 der Linse.
Insbesondere ist das Leuchtelement 62 der LED an dem Brennpunkt 84 des
konvergenten Linsenabschnitts 82 angeordnet, und der divergente
Lichtstrahl 64 ist auf den fokalen Mittelpunkt 86 der
Linse zentriert. Außerdem
ist der konvergente Linsenabschnitt 82 so bemessen, dass
die Außengrenzen
des Lichtstrahls bevorzugt durch den konvergenten Linsenabschnitt und
am meisten bevorzugt durch einen Randbereich 104 des konvergenten
Linsenabschnitts fallen. In anderen Worten ist das Verhältnis zwischen
dem Durchmesser des konvergenten Linsenabschnitts D, der Brennweite
L und dem Richtungswinkel 68 wie folgt festgelegt: D ≥ 2L
Tan(A/2)
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Am
meisten bevorzugt ist die obige Gleichung eine Gleichheit. Aus der
oben beschriebenen Anordnung resultiert, dass ein divergenter Lichtstrahl 64,
der von der LED 60 erzeugt wird, durch den konvergenten
Linsenabschnitt 82 fällt,
um ein erster Strahl aus parallelem Licht 110 mit einem
Durchmesser D zu werden, wie in 7A dargestellt
ist.
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Wie
in 7B ersichtlich ist, wird ein Teil des von dem
Leuchtelement 62 der LED abgestrahlten Lichts nicht durch
den Mikroreflektor 63 in den divergenten Lichtstrahl gerichtet
und tritt nicht direkt in den divergenten Lichtstrahl ein. Stattdessen
erreicht er nach vollständiger
innerer Reflexion die transparente Spitze 66 und tritt
aus der LED 60 in eine Richtung aus, die sich außerhalb
des divergenten Lichtstrahls erstreckt. Dies wird typischerweise
dadurch verstärkt,
dass er durch die Spitze in einem Winkel, der nicht lotrecht zu
der Oberfläche
der Spitze an dieser Position ist, hindurch fällt, wodurch das Licht in einem Winkel,
der weiter außerhalb
des divergenten Lichtstrahls liegt, gebrochen wird.
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Wie
in 7B und 7C gezeigt
ist, erstreckt sich ein großer
Anteil dieses seitlich abgestrahlten Lichts 120 von der
Spitze 66 der LED 60 zu der reflektierenden Innenfläche 100 des
parabolischen Abschnitts 92. Die Beleuchtungsanordnung 16 ist
derart ausgestaltet, dass die Spitze der LED an dem Brennpunkt der
parabolischen Oberfläche
angeordnet ist. Auf diese Weise reflektiert das seitlich abgestrahlte
Licht 120, das auf die Innenfläche 100 des parabolischen
Abschnitts 92 auftrifft, so dass ein zweiter Strahl aus
parallelem Licht 122 erzeugt wird.
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Wie
in 7D gezeigt ist, ist bevorzugt die parabolische
Innenfläche 100 derart
bemessen und angeordnet, dass der zweite parallele Lichtstrahl 122 parallel
zu dem ersten parallelen Lichtstrahl 110 ist. In entsprechender
Weise ist bevorzugt die parabolische Innenfläche 100 derart bemessen
und angeordnet, dass Licht, das in eine zur Mitte des gerichteten Lichtstrahls
lotrechte Richtung 124 abgestrahlt wird, von der Innenfläche zurückgeworfen
wird und dann durch den kreisförmigen
flachen Abschnitt 80 unmittelbar außerhalb des Randbereichs 104 des
konvergenten Linsenabschnitts 82 fällt. Auf diese Weise wird der
größte Anteil
des Lichts, das von der LED erzeugt wird, und bevorzugt mehr als
90% des Lichts, in einen parallelen, nutzbaren Lichtstrahl gerichtet.
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Da
ein solch großer
Anteil des erzeugten Lichts in dem nutzbaren Lichtstrahl ist, ist
der Gesamtanteil von Licht, das durch das Leuchtelement der LED
abgestrahlt wird (das normalerweise bedeutend kleiner ist als das
einer Glühbirne),
geeignet, einen nutzbaren Lichtstrahl zu erzeugen. Des Weiteren verbraucht
die LED bedeutend weniger Energie, wodurch die Lebensdauer der Taschenlampe
beträchtlich
erhöht
wird, bevorzugt auf wenigstens 50 Stunden mit zwei AA-Batterien.
Das ist annähernd
das 20-fache der Lebensdauer von gewöhnlichen Taschenlampen. Sogar
nach einer langen Lagerzeit kann die LED mit dem verringerten verfügbaren Batteriestrom
weiter funktionieren. Da darüber
hinaus LEDs nicht so zerbrechlich sind wie Glühbirnen und eine im Vergleich
eine längere
Lebensdauer haben, hat die Glühlampe
der Taschenlampe bevorzugt eine effektiv unbegrenzte Lebensdauer
(bis zu ungefähr 100.000
Stunden), mit einer hohen Haltbarkeit und einem geringen Risiko
eines Defekts der LED infolge unsanfter Behandlung.
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Betrachtet
man nun wieder 2, 4A und 4B,
so ist der parabolische Abschnitt 92 in Bezug zu der Schaltungsplatine 96 durch
die Stützbeine 94 gestützt. Die
LED 60 ist direkt in der Schaltungsplatine befestigt, wodurch
die Stützbeine
und die Schaltungsplatine dazu beitragen, die LED in Bezug zu dem
parabolischen Abschnitt und der Linse 14 in Position zu
halten. Die Schaltungsplatine und ihre zugehörigen Schaltungen 98 erzeugen
den Strom, um die LED einzuschalten.
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Die
Schaltungsplatine ist so bemessen und ansonsten so ausgestaltet,
dass sie in einem Aufnahme-Hohlraum 128 in dem Gehäuseabschnitt 18 aufgenommen
werden kann. Der Strom wird der Schaltungsplatine durch Anschlussdrähte 130,
welche an Kontakte 132 in dem Gehäuseabschnitt 18 angeschlossen
sind, zugeführt.
Der Gehäuseabschnitt umfasst
Fächer 134,
um zwei Batterien 136 zu halten, wobei die Kontakte in
den Fächern
angeordnet sind, um die Batterien anzuschließen.
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Der
Schaltkreis, umfassend die zwei Batterien 136, die Schaltungsplatine 96 und
ihre zugehörigen
Schaltungen 98 sowie die LED 60 führt auch durch
zwei Kontakte 140 auf der Schalteranordnung 20.
Drückt
nun ein Benutzer die Gummikappe 52, die sich durch die
nach hinten zugewandte Öffnung 44 erstreckt,
herunter, so wird der Schaltkreis durch die Schalteranordnung abwechselnd
geöffnet
und geschlossen, wodurch die Taschenlampe abwechselnd ein- und ausgeschaltet
wird.
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Aus
der vorangehenden Beschreibung wird vorteilhaft ersichtlich, dass
die vorliegende Erfindung eine haltbare Taschenlampe bereitstellt,
die sowohl wasser- als auch stoßfest
ist, und die ausgestaltet ist, um einen tatsächlich nutzbaren Lichtstrahl über einen
langen Zeitraum bereitzustellen, insbesondere nach einer langen
Lagerzeit. Zwar ist hier eine besondere Form der Erfindung dargestellt
und beschrieben, jedoch sind offensichtlich verschiedene Abwandelungen
möglich,
ohne dass der Schutzbereich der anhängigen Ansprüche erweitert
wird.