DE10108132A1 - Treiber für LED-Leuchten im Kfz - Google Patents
Treiber für LED-Leuchten im KfzInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Treiberschaltung zum Treiben eines spannungsempfindlichen Verbrauchers (8, 31) von einem entfernt liegenden Steuergerät aus. Um kostengünstig zu sein und gleichzeitig Statussignale auswerten zu können, wird vorgeschlagen, die Treiberschaltung selbst zur Aufrechterhaltung eines sicheren Betriebszustands des Verbrauchers vorzusehen. Dies wird realisiert durch eine steuerbare Stromquelle (T1), ein die Stromquelle ansteuerndes Regelelement (T2, T3) mit einem ersten Eingang (18) von einer vorgegebenen Referenzspannung (VCC) und einen zweiten Eingang (19) zur Zuführung der Regelspannung für den Verbraucher (8, 31).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Treiberschaltung
zum Treiben eines Verbrauchers von einem Steuergerät aus,
wobei der Verbraucher entfernt vom Steuergerät liegend
nur innerhalb eines vorgegebenen Betriebsspannungsinter
valls betreibbar ist.
Die eingangs genannten Treiberschaltungen finden im Stand
der Technik vorzugsweise bei Heckleuchten Anwendung, bei
denen als elektrische Verbraucher Leuchtdioden (LEDs)
eingesetzt werden. Leuchtdioden haben eine Strom-
Spannungskennlinie ähnlich wie Zenerdioden. Bis zu einer
bestimmten Spannung fließt kein Strom und es gibt folg
lich auch keine Lichtaussendung. Wird diese Spannung dann
überschritten, steigt der Strom stark an und die LED be
ginnt zu leuchten. In den meisten Fällen werden LEDs mit
einem Vorwiderstand betrieben, der den Strom durch die
LEDs für eine bestimmte Versorgungsspannung bestimmt.
Solange diese Versorgungsspannung konstant bleibt, ist
auch der Strom durch die LEDs konstant. Die Helligkeit
der LED-Leuchte entspricht dann den gesetzlichen Anforde
rungen. Im Kraftfahrzeug-Bordnetz schwankt die Versor
gungsspannung allerdings zwischen 9 und 16 Volt und kann
- in Ausnahmefällen bei denen ein Kraftfahrzeug von einem
externen Netzgerät aus gestartet wird (Jump-Start) - so
gar 32 Volt erreichen. Solange daher nur ein Vorwider
stand vor die LEDs geschaltet wird, würde eine solche
Schaltung nicht hinnehmbare Helligkeitsschwankungen bei
solchen Schwankungen der Versorgungsspannung ergeben.
Dies kann dann auch leicht die Zerstörung der LEDs zur
Folge haben, die aus Effektivitätsgründen bei Normalspan
nung von 12 Volt bereits nahe ihrer Belastungsgrenze be
trieben werden.
Ein im Stand der Technik vorhandener Ansatz, die vorge
nannten Probleme hinsichtlich einer Stromüberlastung und
einer oft damit verbundenen Temperaturüberlastung der
LEDs zu lösen, ist in DE 197 34 750 offenbart.
Dort wird eine Schutzschaltung vorgeschlagen, die der
Heckleuchte zugeordnet ist und die Versorgungsspannung
für alle drei Funktionen Schlußlicht, Bremslicht und
Blinklicht regelt, sowie für alle Funktionen auf einen
konstanten Strom regelt, wobei diese bei der Kombinati
onsleuchte für das Schluß- und Bremslicht auf zwei ver
schieden einstellbaren Pegeln liegt.
Des weiteren ist in dieser Schutzschaltung eine LED-
Ausfall-Erkennungsschaltung vorgesehen. Von dieser Schal
tung gibt es eine Verbindung zur Fahrzeug-Schnittstelle,
die über mindestens 5 getrennte Leitungen verfügt. Eine
zur Lieferung der Versorgungsspannung, eine Rückleitung
zur Signalisierung eines LED-Leuchten-Gesamtausfalls, ei
ne Rückleitung zur Signalisierung von Einzelausfällen von
LEDs, eine Überspannungsschutzleitung sowie wenigstens
eine Steuerleitung zum Ansteuern der Konstantstromregler.
Diese Schaltung sorgt zwar für Betriebssicherheit der
Heckleuchte, auch wenn die Bordnetzschwankung in weiten
Bereichen steigt und fällt, sie weist jedoch den Nachteil
auf, daß dafür sehr viele einzelne Leitungen zwischen ei
nem zentralen Steuergerät für die Heckleuchte und der
Schutzschaltung notwendig sind. Da die dort offenbarte
Schutzschaltung in der Heckleuchte selbst oder zumindest
in unmittelbarer Nähe derselben angeordnet sein muß, um
die LED-Ausfallsignale zuverlässig erzeugen zu können,
und da das Steuergerät bei Kraftfahrzeugen vielfach nur
an zentraler Stelle, beispielsweise im Motorraum des
Kraftfahrzeugs, vorgesehen ist, ergeben sich zwangsläufig
durch die große Anzahl der erforderlichen Leitungen, der
gegebenenfalls notwendigen Kurzschluß-Schmelzsicherungen
sowie durch die großen Leitungslängen zwangsläufig ein
hohes Gewicht und hohe Kosten.
Um diese technische Sackgasse zu vermeiden, wird im Stand
der Technik auch der Weg beschritten, an zentraler Stelle
für jede Leuchte einen Treiber vorzusehen, der unmittel
bar mit dem immer vorhandenen, digitalen Steuergerät ver
bunden ist, und der die einzelnen Leuchten, also Blink
leuchte, Schluß- und Bremsleuchte versorgt. Dies vermei
det dann unnötig viele einzelne Kabel zwischen Steuerge
rät und den einzelnen Leuchten.
Um jedoch die eingangs genannten Versorgungsspannungs-
Probleme zu meistern und dadurch die Betriebssicherheit
der LED-Leuchten auch nach den gesetzlich vorgesehenen,
erhöhten Sicherheitsanforderungen zu erfüllen, sind im
Stand der Technik bekannte zentrale Treiberschaltungen
nur insoweit an die oben geschilderte Problematik ange
paßt, als daß sie das Treibersignal logisch führen, je
doch nicht strom- oder spannungsbegrenzt.
Daher werden in die LED-Leuchten selbst diverse Schutzbe
schaltungen eingebaut, die in der LED-Leuchte nachteil
hafter Weise zusätzliche Wärme produzieren, die der
Leuchtkraft der LEDs abträglich ist. Des weiteren ist es
auch hier notwendig, über eine separate Leitung Diagnose
information bezüglich eines eventuellen LED-Ausfalls oder
Feedback-Information im Falle des getakteten Blinkersi
gnals zur Ansteuerung des Innenraumblinkers zurück an das
Steuergerät zu liefern.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine ko
stengünstig realisierbare Treiberschaltung für die ein
gangs genannten Anwendungen, insbesondere für LED-
Leuchten im Kraftfahrzeug zu schaffen, die wenig zusätz
lich Wärme im Leuchtenraum produziert und von der Konzep
tion her mit möglichst wenigen Leitungen auskommt.
Ein erfindungsgemäßer Gegenstand mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 löst die vorgenannte Aufgabe.
Auf die Ansprüche soll im folgenden Bezug genommen wer
den.
Gemäß dem allgemeinsten Aspekt der Erfindung wird eine
Treiberschaltung zum Treiben eines Verbrauchers, insbe
sondere zum Treiben von LED-Leuchten von einem Steuerge
rät offenbart, bei der der Verbraucher entfernt von Trei
berschaltung und Steuergerät liegend nur innerhalb eines
vorgegebenen Betriebsspannungsintervall betreibbar ist.
Die Erfindung ist nun dadurch gekennzeichnet, dass die
Treiberschaltung selbst zur Aufrechterhaltung eines si
cheren Betriebszustands des Verbrauchers eine steuerbare
Stromquelle, ein die Stromquelle ansteuerndes Regelele
ment mit einem ersten Eingang von einer vorgegebenen Re
ferenzspannung (VCC) und einen zweiten Eingang zur Zu
führung der Regelspannung für den Verbraucher aufweist.
Damit ist eine Lösung geschaffen, eine weit entfernt von
Treiber und Steuergerät angeordnete LED-Leuchte, im all
gemeinen ein bestimmter Verbraucher, von weiter Entfer
nung aus über ein einziges Kabel zu treiben, wobei diver
se unterschiedliche Betriebsmodi vorsehbar sind und die
Betriebsspannung in einem erlaubten Spannungsband für den
Verbraucher darstellbar ist.
Daraus ergibt sich der zentrale Vorteil gegenüber dem
vorgenannten Treiber aus dem Stand der Technik, daß auf
grund der Sicherheitsmaßnahmen im Leuchtentreiber selbst
der Verbraucher, insbesondere die LED-Leuchten vor Über
spannungen geschützt sind, wodurch eine Schutzbeschaltung
im eigentlichen Sinne nahe beim Verbraucher, beispiels
weise innerhalb einer LED-Heckleuchte eines Kraftfahr
zeugs wegfallen kann. Es reicht aus, in der Heckleuchte
selbst lediglich eine Sperrdiode und einen Vorwiderstand
zu schalten, um einen Verpolungsschutz zu gewährleisten.
Damit ist ein Kernmerkmal für das erfinderische Konzept
offenbart, das es überdies erlaubt, den Treiber mit nur
einer einzigen Leitungszuführung zur LED-Leuchte zu ver
binden. Dadurch werden die oben erwähnten Nachteile des
Standes der Technik - großes Gewicht durch viele Kabel,
unnötig hohe Kosten - vermieden.
Des weiteren legt dieses Kernmerkmal den Grundstein für
eine Erweiterung der Treiberschaltung dahingehend, einen
ganzen Katalog an generellen Anforderungen für LED-Brems-
/Rückleuchte inklusive Treiber zu erfüllen. Dieser Anfor
derungskatalog ist spezifisch für die Anwendung der Er
findung für Kraftfahrzeug-LED-Leuchten. Die generellen
Anforderungen sind dort die folgenden:
- 1. Die Lichtwerte müssen bei 13,5 Volt Bordnetzspannung erreicht werden.
- 2. Die bestimmungsgemäße Funktion der LED-Leuchten muss in einem Spannungsbereich zwischen 9 und 16 Volt erfüllt werden, wobei kurzzeitige Spannungsspitzen bis 32 Volt keine Zerstörung von Schaltelementen verursachen dürfen.
- 3. Das Vorhandensein der LED-Leuchte soll erkennbar sein, woraus eine Überprüfbarkeit der Leitungsverbindung zwi schen Treiber und Leuchte folgt.
- 4. Der LED-Treiber darf bei Kurzschluß nicht geschädigt werden.
- 5. Es muß eine Ansteuerung über Pulsweitenmodulation mög lich sein, um mit 100% der vorgegebenen Leistung ein Bremslicht und mit 5% der Leistung das Schlußlicht zu realisieren.
Des weiteren sei an dieser Stelle angemerkt, daß das oben
beschriebene Kernmerkmal auch dazu verwendet werden kann,
einen Treiber für eine LED-Blinkleuchte im Kraftfahrzeug
zu realisieren. Allgemein gesprochen, ist das erfinderi
sche Konzept brauchbar dafür, um über die oben angespro
chene, einzige Verbindungsleitung zwischen Treiber und
Leuchte auch zeitgesteuerte Stromsignale zu führen.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiter
bildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes
der Erfindung. Darauf soll im folgenden Bezug genommen
werden:
Wenn das Regelelement einen Steuerstrom für die Strom quelle ausgibt, der die Regelspannung sinken läßt, wenn diese infolge zu niedrigen Widerstands der Stromquelle für den Verbraucher zu hoch ist, und der die Regelspan nung steigen läßt, wenn diese infolge zu großen Wider stands die Stromquelle zu niedrig ist, so ist ein vor teilhaftes, allgemein anwendbares Spannungsreglerkonzept offenbart.
Wenn das Regelelement einen Steuerstrom für die Strom quelle ausgibt, der die Regelspannung sinken läßt, wenn diese infolge zu niedrigen Widerstands der Stromquelle für den Verbraucher zu hoch ist, und der die Regelspan nung steigen läßt, wenn diese infolge zu großen Wider stands die Stromquelle zu niedrig ist, so ist ein vor teilhaftes, allgemein anwendbares Spannungsreglerkonzept offenbart.
Wenn die Stromquelle einen Leistungstransistor als Strom
quelle für den Verbraucher enthält, an dessen Ausgang die
Versorgungsspannung für den Verbraucher anliegt, und das
Regelelement ein Differenzverstärker ist, dessen einer
Eingang mit einer Referenzspannung und dessen anderer
Eingang mit der Regelspannung verbunden ist, so ist vor
teilhaft anwendbares Spannungsregelprinzip offenbart, das
einfach implementierbar ist.
Wenn des weiteren die Referenzspannung der Basis eines
ersten Transistors (T2) und die Regelspannung der Basis
eines zweiten Transistors (T3) des Differenzverstärkers
zugeführt ist, so ist zusätzlich eine preisgünstig her
stellbare Reglerschaltung offenbart, die ausgehend von
der im Steuergerät vorhandenen Spannung für die Prozes
sorversorgung die Ausgangsspannung für den Verbraucher
auf einen vorgegebenen Wert begrenzt.
Wenn zusätzlich dem Leistungstransistor ein Vorwiderstand
vorgeschaltet ist, und eine Mehrzahl an hintereinander
geschalteten Dioden, bevorzugt zwei Dioden parallel zum
Leistungstransistor geschaltet sind, so ergibt sich zu
sätzlich eine Strombegrenzung für den Leistungstransistor
als Stromquelle, die den Kurzschlussstrom begrenzt und
damit den Leistungstransistor T1 als primäre Stromquelle
für den Verbraucher schützt.
Wenn eine Einschalt-Signalleitung zumindest einen der
beiden Transistoren über einen Widerstand vorgegebener
Größe mit Massepotential mit einem Schaltelement verbin
det, das dadurch bei Ansteuerung an der Basis auf Durch
laß schaltbar ist, so ist die erfinderische Schaltung
einschaltbar und ausschaltbar, wodurch es ggf. als Blink
lichtschaltung, oder ähnliche Einsatzbereiche geeignet
ist.
Wenn eine Konstantstromquelle mit dem Verbrauchereingang
verbunden ist, die dazu eingerichtet ist, einen Meßstrom
durch einen zum Verbraucher parallel geschalteten Wider
stand zu treiben, dessen Größe zur Auswertung in der
Treiberschaltung selbst dient, dann kann in vorteilhafter
Weise eine Meßgröße, insbesondere ein Spannungsabfall zur
Ermittlung eines "open-load" Status bei ausgeschalteter
Leuchte mit einem in den Verbraucher, insbesondere die
Leuchte eingebautem Widerstand durch Detektion auf der
Statusleitung in der Treiberschaltung selbst ausgewertet
werden. Damit ergibt sich eine zuverlässige Ausfallerken
nung selbst wenn die Leuchte ausgeschaltet ist, die eben
falls "fernabfragbar" ist und mit denselben Kostenvortei
len wie oben angesprochen verbunden ist.
Wenn die oben erwähnte Konstantstromquelle mit einem Ein
gangstransistor ein- und ausschaltbar ist, der bei Durch
gang einen Meßstromtransistor (T5) als Stromquelle für
den Meßstrom auf Durchgang schaltet, dann ist in vor
teilhafter Weise ein Kurzschluß nach + und nach - erkenn
bar.
Wenn dem Meßstromtransistor ein Vorwiderstand vorgeschal
tet ist, und zwei hintereinander geschaltete Dioden zu
ihm parallel geschaltet sind, dann wird analog zum Lei
stungstransistor der Meßstromtransistor gegen Kurzschluß
abgesichert.
Alternativ zu oben kann jedoch in weiterer, vorteilhafter
Form eine Auswertung einer Meßgröße zur Ermittlung des
LED-Betriebsfähigkeitsstatus ohne einen separaten, par
allel zum Verbraucher, insbesondere zur Leuchte eingebau
ten Widerstand erfolgen, indem ein zwischen der positiven
Versorgungsspannung in Reihe mit dem Verbraucher arbei
tender Ohm'scher Test-Widerstand vorgesehen ist, dessen
Spannungsabfall zwischen einem höheren Spannungswert und
einem niedrigeren Spannungswert zum Zwecke der Feststel
lung der Betriebsfähigkeit des Verbrauchers einer Auswer
teschaltung entfernt vom Verbraucher zugeführt wird.
Das Meßprinzip zur Erkennung des Status im eingeschalte
ten Verbraucherzustand ist wie folgt:
Der Betriebsstrom muss durch einen sehr geringen, (etwa 1 Ohm) Testwiderstand fließen, der einen sehr geringen Spannungsabfall von hohem Potential (Highside) weggehend, erzeugt.
Der Betriebsstrom muss durch einen sehr geringen, (etwa 1 Ohm) Testwiderstand fließen, der einen sehr geringen Spannungsabfall von hohem Potential (Highside) weggehend, erzeugt.
Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Treiberschaltung so
vorgesehen, daß ein Treiber eine LED-Leuchtenanordnung
treibt. Es ist dabei in bevorzugter Weise eine einzige
Verbindungsleitung zwischen Treiber und Leuchte vorgese
hen, die auch noch gleichzeitig zur Statusüberwachung des
Verbrauchers auswertbar ist.
Eine Auswertung dieses Spannungsabfalls ist mit einem üb
lichen Verstärker vom Stand der Technik nicht möglich, da
es sich um einen sehr geringen Spannungsabfall nahe der
positiven Versorgungsspannung handelt. Erfindungsgemäß
wird nun ein rail-to-rail-input-Operationsverstärker ver
wendet, der die Spannungsdifferenz verstärkt, einen Strom
erzeugt, der im wesentlichen proportional ist zur Steuer
spannung, wobei dieser vom Operationsverstärker erzeugte
Strom seinerseits einen Spannungsabfall an einer vorbe
stimmten Stelle erzeugt, der dann über eine Sense-Leitung
in verstärkter Form gesenst werden kann.
Fließt also ein Betriebsstrom durch den Testwiderstand,
so stellt sich eine Spannungsdifferenz in einem vorgege
benen Bereich fest. Fließt kein Strom, weil der Verbrau
cher, insbesondere die LED Leuchte defekt ist, so wird
die Spannungsdifferenz gleich Null sein. Damit ist eine
Diagnose in der Treiberschaltung selbst möglich, entfernt
vom Verbraucher, bei nur geringem Messstromverlust.
Die Auswerteschaltung enthält in bevorzugter Weise einen
rail-to-rail Differenzverstärker, um den Testspannungsab
fall zu verstärken.
Wenn der Differenzverstärker eine zu seiner Eingangsspan
nungsdifferenz proportionale Spannung am Emitter-
Widerstand eines Umsetztransistors erzeugt, wobei auch in
dem Sense-Widerstand am Kollektor des Umsetztransistors
ein der Eingangsspannungsdifferenz proportionaler Strom
eingeprägt wird, so daß eine Spannung als Sense-Spannung
abgreifbar ist, die zum Spannungsabfall an dem Testwider
stand proportional ist, so ist für eine sichere und ko
stengünstige Realisierung des Meßprinzips gesorgt.
Wenn zum Differenzverstärker eine Zenerdiode parallel ge
schaltet ist, ist der Operationsverstärker in vorteilhaf
ter Weise gegen hohe Spannungen geschützt.
Wenn des weiteren die Versorgungsspannung des Differenz
verstärkers über ein Schaltelement, insbesondere einen
Transistor ein- und ausschaltbar ist, dann kann der Ruhe
strom der Gesamtschaltung vorteilhaft sehr gering gehal
ten werden.
Wenn zwischen Versorgungspotential (9 . . . 6 V) und erstem
Eingang des Differenzverstärkers ein erster Widerstand
vorgegebener Größe geschaltet ist, und ein zweiter Wider
stand vorgegebener Größe zwischen dem ersten und einem
dritten Widerstand vorgegebener Größe geschaltet ist, wo
bei der dritte Widerstand auf Versorgungspotential liegt,
dann ist die erfindungsgemässe Schaltung kostengünstig
und zuverlässig herstellbar.
Wenn die Elemente der erfindungsgemäßen Treiberschaltung
bis auf die Leistungsbauteile als integrierter Schalt
kreis (IC) ausgeführt ist, können weitere Kosten gespart
werden, da die Schaltung äußerst universell einsetzbar
ist und daher im Bereich des Massenmarktes der Kfz-LED-
Heckleuchten in grossen Stückzahlen vorteilhaft einsetz
bar ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnun
gen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung nä
her erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltschema der erfindungsgemäßen Treiber
schaltung gemäß ihrem ersten Aspekt (rechts)
mit zugehörigen, typischen Spannungsverläufen
auf den unterschiedlichen Eingangsleitungen des
Treibers (links),
Fig. 2 ein Schaltschema der erfindungsgemäßen Treiber
schaltung gemäß einem zweiten Aspekt, und
Fig. 3 eine Sense-Spannungskennlinie in Abhängigkeit
vom Ausgangsstrom, mit hoher Linearität, die
Universalität der Schaltung zeigend.
Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung zeigt die Anwendung
einer erfindungsgemäßen Treiberschaltung für eine LED-
Heckleuchte im Kraftfahrzeugbereich.
In der rechten Hälfte der Darstellung ist das Schaltscha
me gezeigt, während in der linken Hälfte typische Signal
verläufe der jeweils am nächsten stehenden Signalleitun
gen in der Reihenfolge von oben nach unten übereinstim
mend dargestellt sind.
Der rechte Teil der Zeichnung zerfällt sichtbar in zwei
Bereiche: Der linke Bereich ist die eigentliche Treiber
schaltung, wogegen der rechte Bereich die eigentliche
LED-Leuchtenanordnung darstellt. Beide Bereiche sind
durch eine gestrichelte Linie 10 voneinander getrennt.
Die LED-Leuchtenanordnung, die als Ganzes mit Bezugszei
chen 8 versehen ist, ist mit der erfindungsgemäßen Trei
berschaltung in vorteilhafter Weise nur durch ein einzi
ges Zuleitungskabel 12 verbunden. Die Treiberschaltung
selbst ist in einem prozessorbetriebenen Steuergerät vor
handen und besitzt zu diesem hin die fünf Verbindungslei
tungen 14, 16, 18, 20 und 22.
Die Versorgungsleitung der Treiberschaltung 24 kommt aus
dem Ausgang 24 der Treiberschaltung und ist mit einem
Leitungsverbinder 26 mit der über eine beträchtliche Län
ge gehenden Zuleitung 12 zur LED-Leuchtenanordnung 8 ver
bunden.
Zunächst werden die Verbindungsleitungen zum Steuergerät,
das selbst nicht dargestellt ist, kurz erklärt: Leitung
14 ist eine Steuerleitung, über die das Ein- und Aus
schalten des sogenannten open-load-Tests gesteuert werden
kann. Dies wird weiter unten näher erläutert.
Leitung 16 ist die Batteriespannungs-Versorgungsleitung.
Leitung 18 ist eine Steuerleitung, die mit einer Refe
renzspannung VCC von +5 Volt belegt ist. Leitung 20 kann
zum Ein- und Ausschalten der gesamten Treiberschaltung,
sowie für eine Pulsweitenmodulations-Ansteuerung bis in
den Kilohertzbereich verwendet werden. Leitung 22 ist ei
ne Statusleitung, über deren aktuellen Pegel der Zustand
der Versorgungsspannung sowie verschiedene Kurzschlußsi
tuationen abgefragt werden können, was weiter unten näher
erläutert wird.
Mit den Transistoren T1, T2 und T3 ist ein Spannungsreg
ler mit den zwei Eingängen 18 und 19 aufgebaut, der aus
gehend von der im Steuergerät vorhandenen Spannung für
die Prozessorversorgung die Ausgangsspannung für die LED-
Leuchte 8 auf einen vorgegebenen Wert begrenzt. Transi
stor T1 ist ein Leistungstransistor, der als steuerbare
Stromquelle den Leistungsstrompfad des Treibers dar
stellt. Emitterseitig ist er über einen Vorwiderstand R1
an die Versorgungsspannung angeschlossen, die im Be
triebszustand zwischen 9 und 32 Volt schwanken kann. In
regelmäßiger Weise wird die Betriebsspannung jedoch nur
zwischen 9 und 16 Volt schwanken. Der Kollektor von T1
ist mit dem Ausgang des Treibers und der Versorgungslei
tung für die LED-Leuchte 8 verbunden. Die Basis des Tran
sistors T2 ist mit einer Referenzspannung von 5 Volt ver
bunden, wogegen die Basis des Transistors T3 über eine
Zenerdiode mit Masse verbunden ist. Der Kollektor von
Transistor T2 ist über einen Vorwiderstand R3 mit der Ba
sis des Leistungstransistors T1 verbunden. Die beiden
Emitter von T2 und T3 sind miteinander verbunden und bil
den zwischen sich einen Knotenpunkt, an dem im einge
schalteten Zustand ein relativ niedriges Potential an
liegt, dessen Größe durch die Größe des Widerstandes R4
im wesentlichen bestimmt ist. R4 liegt über die Emitter-
Kollektor-Strecke des Transistors T4 direkt an Masse.
Der mit den Transistoren T1, T2 und T3 aufgebaute Span
nungsregler begrenzt die Ausgangsspannung in Richtung
LED-Leuchtenanordnung abhängig von der im Steuergerät
vorhandenen Spannung VCC. Die Transistoren T2 und T3
stellen einen Differenzverstärker dar, der die Referenz
spannung VCC mit der über die Widerstände R5 und R6 + R7
heruntergeteilten Ausgangsspannung des Transistors T1
vergleicht und die Ansteuerung des Transistors T1 durch
den Transistor T2 verhindert, indem der parallel zum
Transistor T2 liegende Transistor T3 den Strom übernimmt
und damit den Transistor T2 sperrt.
Über die Dioden D1 und D2, die hintereinander geschaltet
einen parallelen Zweig zu R1 und T1 bilden, sowie über
den zu den Dioden parallel geschalteten Ohm'schen Wider
stand R1 ist zusätzlich noch eine Strombegrenzung einge
baut, die einen eventuell auftretenden Kurzschlußstrom
begrenzt und damit den Transistor T1 schützt.
In der LED-Leuchtenanordnung 8 sind aus Übersichtlich
keitsgründen nur 3 LEDs eingezeichnet, die über einen
Vorwiderstand und eine Sperrdiode abgesichert sind. Des
weiteren liegt ein Ohm'scher Widerstand parallel zu den
LEDs. Dieser dient als Meßwiderstand, worauf weiter unten
noch eingegangen wird.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Treiber
schaltung können nun in vorteilhafter Weise verschiedene
Ausfallsituationen an oder um die LED-Leuchtenanordnung
herum erkannt werden. Beispielsweise kann ein Kurzschluß
nach Plus durch ein positives Signal auf der Statuslei
tung für einen Betriebszustand erkannt werden, indem der
Transistorschalter T4 nicht angesteuert ist, daß heißt im
ausgeschalteten Zustand des Treibers. Die Kurzschlußsi
tuation nach Plus ist durch einen positiven Pegel auf der
Statusleitung erkennbar, der kurz unterhalb der Referenz
spannung liegt, im Beispiel kurz unterhalb von 5 Volt,
siehe auch den linken Bereich von Fig. 1, unterste Zeile.
Des weiteren kann ein Kurzschluß nach Minus durch einen
sehr niedrigen Pegel in der Nähe von Null auf der Status
leitung erkannt werden, in einem Betriebszustand, in dem
der Schalter auf "Ein" steht, also der Transistor T4 auf
Durchgang geschaltet hat. Der reguläre, fehlerfreie Be
triebszustand ist durch den linken Puls bei einem Pegel
von 5 Volt zu erkennen.
Des weiteren ist in vorteilhafter Weise im oberen Bereich
der Abbildung von Fig. 1 ein sogenannter open-load-
Testkreis abgebildet, der im wesentlichen durch eine
schaltbare Konstantstromquelle aus den Transistoren T5
und T6, den Dioden D4, D5 sowie den Widerständen R8, R9
und R10, sowie die Widerstände R5, R6 und R7 auf der Sta
tusleitung gebildet ist.
Aufgabe der Konstantstromquelle ist es, wenn sie durch
Einschalten auf der Testleitung 14 über den Transistor
schalter T6 und den Widerstand R10 auf Durchgang geschal
tet ist, einen Meßstrom geringer Größe im ausgeschalteten
Zustand des Hauptschalters T4 an die LED-Leuchte 8 zu
bringen, der die LEDs noch nicht zum Glimmen bringt, wohl
aber an dem parallel zu den LEDs 31 geschalteten Ohm'
schen Widerstand 34 einen so deutlichen Spannungsabfall
hervorruft, daß dieser auf der Statusleitung 22 detek
tiert und ausgewertet werden kann. In der open-load-
Ausfallsituation kann kein Strom mehr durch die LEDs
fließen. Als direkte Folge fließt ein wesentlich geringe
rer Strom durch die Zuleitung 12 und den Widerstand 34,
wodurch das Potential am Ausgang des Transistors T1 ange
hoben wird. Daher ergibt sich der Fehlerpuls der open-
load-Ausfallsituation, in der Nähe der Referenzspannung
von 5 Volt, wie es in der zweiten Zeile im linken Bereich
von Fig. 1 dargestellt ist. Bei intakter Last stellt sich
ein mittlerer Pegel ein. Wie aus der darüberliegenden
Zeile erkennbar ist, ist das Testsignal am Testeingang 14
ein einfaches Rechtecksignal zwischen 0 Volt und 5 Volt.
Es sei noch angemerkt, daß der Widerstand R8 zusammen mit
dem Diodenpärchen D4, D5 die Aufgabe hat, den Meßtransi
stor T5 vor zu großen Strömen zu schützen, in analoger
Form, wie es für den Leistungstransistor T1 weiter oben
bereits beschrieben wurde.
Wie es für den Fachmann aus der obigen Beschreibung und
der beiliegenden Fig. 1 erkennbar ist, können nun durch
die erfindungsgemäße Spannungsbegrenzung auf etwa 12 Volt
alle im Stand der Technik vorgesehenen Maßnahmen in der
Leuchte selbst gegen hohe Spannungen wie etwa 16 Volt
oder über 30 Volt bei einem Jumpstart entfallen.
Des weiteren ergibt sich eine Diagnosemöglichkeit von
open-load, Kurzschluß nach Masse oder Plus ohne eine zu
sätzliche Signalleitung von der Leuchte hin zum Steuerge
rät. Die dargestellte und beschriebene Treiberschaltung
kann in vorteilhafter Weise mit einem Steuergerät kombi
niert werden, indem ein Festspannungsregler mit einer Ge
nauigkeit von 2% verwendet wird, so daß die oben erwähn
te 12 Volt-Begrenzung mit einer Genauigkeit von etwa 5%
für die Praxis hinreichend genau ist. Schließlich sei
noch angemerkt, daß der Ausgangstransistor T1 so ausge
bildet sein sollte, daß er für ca. 100 Millisekunden
kurzschlußfest ist, damit Zeit genug für den Prozessor
des Steuergeräts bleibt, um ihn rechtzeitig abzuschalten.
Eine weitere, vorteilhafte Ausgestaltung eines Ausfüh
rungsbeispiels der erfindungsgemäßen Treiberschaltung ist
in Fig. 2 in einer schematischen Schaltskizze darge
stellt. Die dort gezeigte Treiberschaltung hat den Vor
teil, daß der Strom durch die LED-Leuchtenanordnung 8
auch ohne den in Fig. 1 dargestellten Parallelwiderstand
34 im eingeschalteten Zustand gemessen werden kann.
Der rechte Teil von Fig. 2 entspricht im wesentlichen dem
rechten unteren Teil von Fig. 1, insbesondere hinsicht
lich dem Leistungstransistor T1, der ebenfalls strombe
grenzt ist und mit T2 und T3 ebenso einen Spannungsregler
bildet. Insoweit wird auf die vorangegangene Beschreibung
verwiesen.
Erfindungsgemäß wird nun ein Spannungsabfall an dem dem
Leistungstransistor T1 vorgeschalteten Shuntwiderstand,
der der Strombegrenzung der Treiberschaltung dient, aus
gewertet, um den Strom durch die Leuchte im eingeschalte
ten Zustand messen und auswerten zu können.
Eine solche Auswertung ist mit einem herkömmlichen Ver
stärkerbaustein nicht möglich, da es sich um kleine Span
nungsabfälle nahe der positiven Spannungsversorgung han
delt, da der eigentliche Spannungsabfall ja erst in der
LED-Leuchtenanordnung erzeugt wird. Um solche besondere
Spannungsschwankungen für eine Auswertung auflösen zu
können, die nicht in der Nähe des Null-Pegels liegen,
wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, einen rail-to-rail-
input-Operationsverstärker 60 zu verwenden, der über ei
nen nachgeschalteten Transistor 70 dafür sorgt, daß die
an dem Shunt-Widerstand R1 gemessene Spannung sich eben
falls am Emitter-Widerstand 72 des nachgeschalteten Tran
sistors 70 einstellt. Der daraus resultierende Strom
setzt sich zusammen aus dem Strom durch die Kollektor-
Emitter-Strecke des Transistors 70 plus dem Strom durch
die Basis-Emitter-Strecke. Da der letztere weniger als
1% des Kollektorstroms beträgt, ist dieser Anteil ver
nachlässigbar.
Im stationären Zustand ist der Kollektorstrom der Meß
schaltung am linken Rand von Fig. 2 dem Ausgangsstrom des
Treibers proportional. Daher erzeugt der Kollektorstrom
an dem Kollektorwiderstand 74 eine Sense-Spannung, die
ihrerseits dem Ausgangsstrom des LED-Treibers proportio
nal ist und über einen Analogeingang des Steuergerätepro
zessors (nicht abgebildet) gemessen werden kann. Der
rail-to-rail-input-Operationsverstärker ist für Versor
gungsspannungen bis circa 16 Volt ausgelegt, hat jedoch
eine geringe Stromaufnahme. Um ihn gegen hohe Spannungen
zu schützen, ist ihm eine entsprechende Zenerdiode 64
parallel geschaltet. Seine Spannungsversorgung wird über
einen Vorwiderstand 66 geführt. Um den Ruhestrom der
Schaltung niedrig zu halten, ist dieser Schaltungsteil
durch einen Transistor 62 ein- und ausschaltbar (s. oben).
Die gezeigte Treiberschaltung gestattet die Strommessung
von einigen Milliampere bis zur Strombegrenzung des Trei
bers selbst. Dadurch können Pegel für open-load und over-
load während der Fertigung oder später bei einem gegebe
nen Austausch einer Leuchte mit möglicherweise anderen
Betriebsparametern in einer Kfz-Fachwerkstatt im Speicher
des Steuergeräteprozessors abgelegt werden. Die gezeigte
Schaltung ist damit weitgehend universell. Als Eckdaten
sind lediglich die Ausgangsspannung und die Strombegren
zung festgelegt, die aber mit 500 mA allen bisherigen
LED-Leuchten genügt. Das Konzept ist offen für zukünftige
LED-Leuchtenanordnungen, die weniger Strom bei gleicher
Lichtaussendung verbrauchen. Dies wird auch durch Figur
veranschaulicht.
Fig. 3 zeigt eine Sense-Spannungskennlinie in Abhängig
keit vom Ausgangsstrom, mit hoher Linearität. Es wurden
dabei drei verschiedene Operationsverstärker mit jeweils
unterschiedlich großen Fehlern in ihrem Offset einge
setzt, die zu den drei verschiedenen, abgebildeten Kenn
linien führen.
Über einen großen Bereich von 0 bis 900 mA Ausgangsstrom
ergibt sich eine Sense-Spannung proportional zum Strom.
Festgelegt sind lediglich die Ausgangsspannung und die
Strombegrenzung, die aber mit 500 mA allen bisherigen
LED-Leuchten genügt. Sie ist daher auch für zukünftige
LED-Leuchten dimensionierbar, die mit geringeren Strömen
bei gleicher Lichtaussendung auskommen.
Damit sind zusammenfassend folgende Merkmale erfindungsge
mäß realisierbar:
- 1. Eine LED-Leuchte kann mit konstanter Spannung betrie ben werden. Bei dieser Spannung werden auch die erforder lichen Lichtwerte einer LED-Leuchte erreicht.
- 2. Das Diagnostizieren einer "open-load"-Situation be reits im ausgeschalteten Zustand, ohne ein Aufblitzen von LEDs über die Messung der Ausgangsspannung des Treibers. Im Stand der Technik verfügbare, sogenannte High-side- Treiber verwenden für eine solche open-load-Erkennung im ausgeschalteten Zustand zu kleine Ströme, die im Mikroam pere-Bereich liegen. Diese sind zu klein, um eine sichere Aussage zu liefern, da die kleinen Ströme durch zusätzli che Kriechströme, beispielsweise bei Steckerkontakten zu sehr verfälscht werden.
- 3. Das Diagnostizieren von Kurzschluß nach Plus oder Masse wird durch die Messung der Ausgangsspannung des Treibers ermöglicht.
- 4. Es wird gleichzeitig für eine Strombegrenzung gesorgt, um die Treiberschaltung zu schützen und bei Kurzschluß sicher abschalten zu können. Es werden auch Stromspitzen im Steuergerät vermieden, wodurch keinerlei Sicherungen erforderlich sind.
- 5. Die erfindungsgemäße Treiberschaltung ist ein- und ausschaltbar und kann durch Pulsweitenmodulation der Treiberschaltung für die Helligkeitssteuerung bis in den Kilohertzbereich eingesetzt werden. So kann ein Brems licht mit 100% Lichtleistung und ein Rücklicht mit etwa 5% der Lichtleistung betrieben werden. Im Stand der Technik verfügbare High-side-Treiber werden im Gegensatz dazu mit N-Kanal-MOSFET-Transistoren mit Ladepumpe be trieben, wodurch sie langsam sind und für Pulsweitenmodu lation nicht gut geeignet sind.
Des weiteren gestattet die erfindungsgemäße Ausgestaltung
der Treiberschaltung mit open-load-Erkennung im einge
schalteten Zustand und ohne einen zum Verbraucher paral
lel geschalteten Widerstand eine Strommessung von einigen
Milliampere bis zur Strombegrenzung des Treibers selbst.
Es können Pegel für open-load und overload während der
Fertigung oder später beim Austausch einer LED-Leuchte
mit möglicherweise zukünftig anderen Werten in einer
Werkstatt im Speicher des Steuergeräteprozessors abgelegt
werden. Damit ist die Schaltung sehr universell.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels vorstehend beschrieben wurde, ist
sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Wei
se modifizierbar.
Schließlich können die Merkmale der Unteransprüche im we
sentlichen frei miteinander und nicht durch die in den
Ansprüchen vorliegende Reihenfolge miteinander kombiniert
werden, sofern sie unabhängig voneinander sind.
Claims (17)
1. Treiberschaltung zum Treiben eines Verbrauchers
(8, 31) von einem Steuergerät aus, wobei der Verbraucher
entfernt von Treiberschaltung und Steuergerät liegend
nur innerhalb eines vorgegebenen Betriebsspannungsin
tervall betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass
die Treiberschaltung selbst zwecks Schutzbeschaltung
zur Aufrechterhaltung eines sicheren Betriebszustands
des Verbrauchers eine steuerbare Stromquelle (T1), ein
die Stromquelle ansteuerndes Regelelement (T2, T3) mit
einem ersten Einfang (18) von einer vorgegebenen Refe
renzspannung (VCC) und einen zweiten Eingang (19) zur
Zuführung der Regelspannung für den Verbraucher (8, 31)
aufweist.
2. Treiberschaltung nach Anspruch 1, mit nur einer
einzigen Verbindungsleitung zwischen Treiber und Leuch
te, wobei das auf der Verbindungsleitung laufende Si
gnal zur Statusüberwachung des Verbrauchers ausgewertet
wird.
3. Treiberschaltung nach Anspruch 1, wobei das Regel
element (T2, T3) einen Steuerstrom für die Stromquelle
(T1) ausgibt, der die Regelspannung sinken läßt, wenn
diese infolge zu niedrigen Widerstands der Stromquelle
für den Verbraucher zu hoch ist, und der die Regelspan
nung steigen läßt, wenn diese infolge zu großen Wider
stands der Stromquelle zu niedrig ist.
4. Treiberschaltung nach Anspruch 1, wobei die Strom
quelle einen Leistungstransistor (T1) als Stromquelle
für den Verbraucher enthält, an dessen Ausgang die Ver
sorgungsspannung für den Verbraucher anliegt, und wobei
das Regelelement ein Differenzverstärker
(T2, T3, R5, R6, R7) ist, dessen einer Eingang mit einer
Referenzspannung und dessen anderer Eingang mit der Re
gelspannung verbunden ist.
5. Treiberschaltung nach Anspruch 1, wobei die Refe
renzspannung der Basis eines ersten Transistors (T2)
und die Regelspannung der Basis eines zweiten Transi
stors (T3) des Differenzverstärkers zugeführt ist.
6. Treiberschaltung nach Anspruch 1, wobei dem Lei
stungstransistor (T1) ein Vorwiderstand (R1) vorge
schaltet ist, und eine Mehrzahl an hintereinander ge
schalteten Dioden, bevorzugt zwei Dioden (D1,D2) paral
lel zum Leistungstransistor geschaltet sind.
7. Treiberschaltung nach Anspruch 1, wobei eine Ein
schalt-Signalleitung (20) zumindest einen der beiden
Transistoren (T2, T3) über einen Widerstand (R4) vorge
gebener Größe mit Massepotential mit einem Schaltele
ment (T4) verbindet, das dadurch bei Ansteuerung an der
Basis auf Durchlaß schaltbar ist.
8. Treiberschaltung nach Anspruch 1, wobei eine Kon
stantstromquelle (T5, T6, D4, D5, R8, R9, R10) mit dem Ver
brauchereingang (12) verbunden ist, die dazu eingerich
tet ist, einen Meßstrom durch einen zum Verbraucher
(8, 31) parallel geschalteten Widerstand (34) zu trei
ben, dessen Größe zur Auswertung in der Treiberschal
tung selbst dient.
9. Treiberschaltung nach Anspruch 1, wobei die Kon
stantstromquelle (T5, T6, D4, D5, R8, R9, R10) mit einem
Eingangstransistor (T6) ein- und ausschaltbar ist, der
bei Durchgang einen Meßstromtransistor (T5) als Strom
quelle für den Meßstrom auf Durchgang schaltet.
10. Treiberschaltung nach dem vorstehenden Anspruch,
wobei dem Meßstromtransistor (T5) ein Vorwiderstand
(R8) vorgeschaltet ist, und zwei hintereinander ge
schaltete Dioden (D4, D5) zu ihm parallel geschaltet
sind.
11. Treiberschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
wobei ein zwischen der positiven Versorgungsspannung in
Reihe mit dem Verbraucher (8, 31) arbeitender Ohm'scher
Test-Widerstand (R1) vorgesehen ist, dessen Spannungs
abfall zum Zwecke der Feststellung der Betriebsfähig
keit des Verbrauchers (30) einer Auswerteschaltung ent
fernt vom Verbraucher (30) zugeführt ist.
12. Treiberschaltung nach dem vorstehenden Anspruch,
wobei die Auswerteschaltung einen rail-to-rail Diffe
renzverstärker (70) enthält.
13. Treiberschaltung nach dem vorstehenden Anspruch,
dafür eingerichtet, dass der Differenzverstärker (70)
eine zu seiner Eingangsspannungsdifferenz proportionale
Spannung an einem Emitter-Widerstand (72) eines Umsetz
transistors (70) erzeugt, wobei in einem Sense-
Widerstand (74) am Kollektor des Umsetztransistors ein
der Eingangsspannungsdifferenz proportionaler Strom
einprägbar ist, so daß eine Spannung als Sense-Spannung
abgreifbar ist, die zum Spannungsabfall an dem Testwi
derstand proportional ist.
14. Treiberschaltung nach dem vorstehenden Anspruch,
wobei zum Differenzverstärker (70) eine Zenerdiode (74)
zwecks Absicherung parallel geschaltet ist.
15. Treiberschaltung nach dem vorstehenden Anspruch,
wobei die Versorgungsspannung des Differenzverstärkers
(70) über ein Schaltelement (T20) ein- und auschaltbar
ist.
16. Treiberschaltung nach dem vorstehenden Anspruch,
wobei zwischen Versorgungspotential (9 . . . 16 V) und erstem
Eingang des Differenzverstärkers (70) ein erster Wider
stand (R8) vorgegebener Größe geschaltet ist, und ein
zweiter Widerstand (R9) vorgegebener Größe zwischen dem
ersten und einem dritten Widerstand (72) vorgegebener
Größe geschaltet ist, wobei der dritte Widerstand (72)
auf Versorgungspotential liegt.
17. Treiberschaltung nach einem der vorstehenden An
sprüche, deren Elemente bis auf die Leistungsbauteile
(T1, R1) als integrierter Schaltkreis (IC) ausgeführt
ist.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: HELLA KGAA HUECK & CO., 59557 LIPPSTADT, DE |
|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |