DE102004008896B4

DE102004008896B4 - Apparat zur Steuerung von Leuchtdioden

Info

Publication number: DE102004008896B4
Application number: DE102004008896.9A
Authority: DE
Inventors: Gregory J. Dygert
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2003-02-20
Filing date: 2004-02-19
Publication date: 2016-07-28
Anticipated expiration: 2024-02-20
Also published as: GB0402044D0; US6864641B2; DE102004008896A1; GB2398682A; US20040164685A1; JP2004253804A; GB2398682B

Abstract

Leuchtdioden-Schaltung (300), umfassend – eine Vielzahl von parallel geschalteten LED-Ketten, wobei jede LED-Kette eine Vielzahl von in Reihe geschalteten LEDs enthält, – eine Stromregulierungsschaltung (104), welche ein an eine erste Kette einer Vielzahl von LED-Ketten angeschlossenes Stromregulierung-Element (Q2) und eine Vielzahl von Stromspiegelungs-Elementen (Q3, Q4, Qm + 1) enthält, wobei jedes Stromspiegelungs-Element (Q3, Q4, Qm + 1) mit einer jeweiligen Kette der Vielzahl von LED-Ketten verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der Vielzahl von LED-Ketten und der Stromregulierungsschaltung (104) verbundene Überwachungs-/Regulierungsschaltung (301) ausgebildet ist, wobei die Überwachungs-/Regulierungsschaltung den Spannungsabfall über den Stromregulierungs- und Stromspiegelungs-Elementen (Q2, Q3, Q4, Qm + 1) oder den LED-Ketten überwacht und eine Versorgungsspannung zur Vielzahl von LED-Ketten auf der Basis der erfassten Spannungsabfälle reguliert.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Leuchtdioden und besonders auf die Steuerung einer Vielzahl von Leuchtdioden.
2. Hintergrundinformationen
Leuchtdioden (LEDs) finden zunehmende Akzeptanz als Lichtquelleneinrichtungen, besonders weil ihre Kosten stetig sinken. Typische Anwendungen von LEDs in Kraftfahrzeugen umfassen die Beleuchtung von Informationsanzeigegeräten, wie zum Beispiel Flüssigkristalldiodenanzeigen sowie Messgerätebeleuchtungen in Instrumententafelbaugruppen.
Typische Anwendungen verwenden zur Erzeugung einer erforderlichen Gesamtlichtstärke eine Vielzahl von LEDs. Gewöhnlich besitzen LEDs eine Lichtstärkeausbringung, die als Reaktion auf einen Befehl eines Bedieners oder Mikrocomputers über einen weiten Bereich, nämlich von voller Stärke bis zu einem Bruchteil, wie zum Beispiel 1/100 der vollen Stärke, einregulierbar ist. Der Bereich der Betriebslichtstärke wird üblicherweise als Abdunklungsbereich oder Abdunklungsverhältnis bezeichnet, in beziehungsweise bei dem die Lichtstärke von LED zu LED größtenteils gleich bleibt, so dass die Gesamtlichtstärke über einer Vielzahl von LEDs homogen erscheint. Da die wahrgenommene Lichtstärke einer LED proportional zu ihrem Durchlassstrom ist, stellt sich ein homogener Lichtstärkebedarf als homogener Strombedarf dar. Aufgrund von Schwankungen der Versorgung und der LED-Spannungen sowie der Schaltungsimpedanzen kann jedoch in den meisten Schaltungen die Gleichmäßigkeit des Stroms von LED zu LED schwierig zu erreichen sein.
Zum Einstellen des mittleren Stroms durch eine LED und damit der Lichtstärke einer LED werden sowohl analoge als auch digitale Verfahren verwendet. Im Analogverfahren führt eine Spannungs- oder Stromreguliereinrichtung die Einstellung in einer stetigen Weise aus, so dass der Strom zwischen einem Maximalpegel und einem Minimalpegel innerhalb des erforderlichen Abdunklungsbereichs variiert. Im gewöhnlich als Pulsweitenmodulation (PWM) bezeichneten Digitalverfahren regelt eine Spannungs- oder Stromquelle zwischen zwei Pegeln (zum Beispiel zwischen Null und einer Maximalspannung oder einem Maximalstrom) mit einer Geschwindigkeit, die ausreichend hoch ist, so dass die Lichtstärke durch menschliche Sehprozesse als eine einem Tastverhältnis proportionale mittlere Lichtstärke wahrgenommen wird. Digitalverfahren bieten Abdunklung in einem weiten Bereich ohne die mit der Regulierung sehr niedriger Strompegel verbundenen Schwierigkeiten in Analogverfahren. Außerdem ermöglichen Digitalverfahren den Betrieb auf einem für die LED effektivsten Strompegel. Da ferner LED-Farbkenndaten eine Funktion des Stroms sind, unterstützt der Betrieb auf einem speziellen Pegel die Beibehaltung einer konstanten Farbe über dem Abdunklungsbereich. Des Weiteren sind Digitalverfahren für Mikrocomputeranschluss und Mikrocomputersteuerung besonders geeignet.
In typischen Anwendungen sind die LEDs in einer LED-Schaltung entweder parallel oder in Reihe geschaltet. Bei Parallelkonfiguration sind die LEDs parallel geschaltet und an eine im Analogfall stellbare, kontinuierlich variierende Versorgungsspannung oder im Digitalfall an eine über eine Schalttechnik gelieferte Versorgungsspannung angeschlossen. Die Änderung der Versorgungsspannung im Analogfall oder die Verwendung der PWM im Digitalfall stellt den durch die LEDs fließenden Strom ein. Dabei ist es jedoch infolge von Schwankungen der Versorgungsspannung, der LED-Spannungen und der Schaltungsimpedanzen schwierig, einen präzisen und homogenen Strompegel in jeder LED aufrechtzuerhalten. Zusätzlich wird durch den Schaltungswiderstand der Gesamtenergieverbrauch erhöht und der Wirkungsgrad verringert.
Bei Reihenschaltungskonfiguration sind alle LEDs, eine Spannungsversorgung und/oder eine Strombegrenzungs- oder Stromregulierungseinrichtung in Reihe geschaltet. Somit kann der LED-Strom im Analogfall mit einer stetigen Spannungs- oder Stromeinstellung oder im Digitalfall über PWM eingestellt werden. Die Verwendung von Reihenschaltungskonfigurationen sichert die Gleichmäßigkeit des Stroms, da alle LED in Reihe geschaltet sind und deshalb einen Strom mit demselben Pegel führen. Weil jedoch alle LEDs in Reihe geschaltet sind, kann der Ausfall irgendeiner LED zu einem Gesamtausfall der Beleuchtung führen, was in manchen Anwendungen ein Sicherheitsproblem darstellen könnte.
Die US 2003/0025120 A1 offenbart eine integrierte LED-Treiberschaltung für eine Vielzahl von LED-Ketten mit einer Reglereinheit und einem Vielfach-Ausgang-Stromspiegelungselement. Das Stromspiegelungselement besteht aus einer Vielzahl von gleichen Transistoren und ist dabei nahezu unabhängig von der Eingangsspannung der Gleichspannungsquelle, den Transistoreffekten innerhalb des integrierten Halbleiterprozesses sowie Temperaturveränderungen.
In der WO 99/39319 A2 wird ein Leuchtzeichensystem mit in Serie zu jeweils einer Kette geschalteten LEDs und einem dazugehörigen Transistor beschrieben. Die LED-Ketten mit Transistor sind wiederum parallel zueinander geschaltet. Das Leuchtzeichensystem ist mit einem Stromspiegelungsverstärker ausgebildet.
Aus der DE 100 40 154 A1 geht eine Leuchtreklame, insbesondere eine Konturbeleuchtung, hervor. Die Leuchtreklame weist eine Mehrzahl an von einer Spannungsquelle gespeisten Leuchtdioden auf. Die Spannungsquelle ist mit einer Konstantstromschaltung zur Vorgabe eines Versorgungsstroms für die Leuchtdioden zusammengeschaltet. Der Spannungsquelle ist eine Vergleichsschaltung zugeordnet, welche die an den Leuchtdioden abfallende Spannung mit der Ausgangsspannung der Spannungsquelle vergleicht. Mit der Vergleichsschaltung und der Spannungsquelle ist eine Steuerschaltung verbunden, welche die Ausgangsspannung der Spannungsquelle bis auf eine kleine Differenz an die an den Leuchtdioden abfallende Spannung heranführt.
Die EP 1 503 430 A1 beschreibt eine elektronische Vorrichtung mit lichtemittierenden Elementen, wie LEDs, welche mittels einer Stromversorgungsschaltung angetrieben werden. Die Treiberschaltung weist eine Vielzahl von Konstantstromquellen, eine Auswahlschaltung und eine Steuerschaltung auf. Die Konstantstromquellen werden in Übereinstimmung mit Befehlssignalen ein- oder ausgeschaltet, um die in Reihe geschalteten LEDs mit Strom zu versorgen. Dabei ist jeder LED-Reihe eine Konstantstromquelle zugeordnet. Die Auswahlschaltung bestimmt den Wert der geringsten Spannung an den Konstantstromquellen. Die Steuerschaltung gleicht daraufhin die Versorgungsspannung mit der geringsten Referenz-Spannung an den Konstantstromquellen ab.
Die WO 2004/021744 A1 offenbart eine Schaltung zur Stromversorgung mehrerer LEDs. Die Schaltung umfasst mehrere Stromregler, einen Ladepumpenanschluss, einen Spannungsregler und einen Detektor. Jeder Stromregler kann zur Steuerung des Stroms in jeweils einer LED, der Ladepumpenanschluss kann zur Stromversorgung der mehreren LEDs, der Spannungsregler kann zur Energieversorgung der Ladepumpe und der Detektor kann zur Erfassung des Auftretens eines aus einer Liste ausgewählten Zustands, wie Stromabfall und beginnender Stromabfall an einem der Stromregler, betrieben werden. Der Stromregler weist einen Ausgang auf, welcher auf die Erfassung des Zustands eines Stromabfalls reagiert.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Schaltung zur Steuerung beziehungsweise zur Regulierung der Spannungsversorgung der LEDs, um die Spannungsversorgung und die Schaltung nicht für die ungünstigsten Betriebsbedingungen auslegen zu müssen. Zudem soll auch bei Schwankungen der Versorgung, der LED-Spannungen sowie der Schaltungsimpedanzen eine Gleichmäßigkeit des Stroms von LED zu LED, das heißt ein präziser und homogener Strompegel in jeder LED, gewährleistet werden.
Kurze Zusammenfassung
Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Leuchtdioden-Schaltung gelöst. Zur Überwindung der zuvor und an anderen Stellen genannten Unzulänglichkeiten wird eine Leuchtdioden-(LED-)Schaltung bereitgestellt, die eine Vielzahl von in einer Hybrid-Parallel-Reihenschaltungskonfiguration verbundenen Leuchtdioden und eine Stromregulierungsschaltung enthält, die wiederum ein an eine erste Kette einer Vielzahl von LED-Ketten angeschlossenes Stromregulierungs-Element und eine Vielzahl von Stromspiegelungs-Elementen enthält, wobei jedes Stromspiegelungs-Element an eine jeweilige Kette der Vielzahl von LED-Ketten angeschlossen ist.
Nach der Konzeption der Erfindung ist eine mit der Vielzahl von LED-Ketten und der Stromregulierungsschaltung verbundene Überwachungs-/Regulierungsschaltung ausgebildet. Die Überwachungs-/Regulierungsschaltung überwacht dabei den Spannungsabfall über den Stromregulierungs- und Stromspiegelungs-Elementen oder den LED-Ketten und reguliert eine Versorgungsspannung zur Vielzahl von LED-Ketten auf der Basis der erfassten Spannungsabfälle.
Die LED-Schaltung kann gegenüber anderen Techniken (wie zum Beispiel Leuchtstoffröhren) einen oder mehrere Vorteile in Bezug auf Kosten, Leistungsfähigkeit, Schaltungskomplexität, Gebrauchsdauer, elektromagnetische Störung, mechanische Robustheit, Herstellung und/oder Nichtverwendung von giftigem Quecksilber aufweisen.
Weitere Vorteile der Erfindung werden den mit dem Fachgebiet, auf das sich die Erfindung bezieht, vertrauten Personen durch die nachfolgende Beschreibung der Vorzugsausgestaltung und die beigefügten Patentansprüche in Zusammenhang mit den dazugehörenden Zeichnungen verdeutlicht.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Zeichnungen, die nun kurz beschrieben werden, sind hier zur bildlichen Darstellung der Vorzugsausgestaltung der Erfindung aufgenommen. Die Komponenten in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, weil anstelle der Anordnung die Darstellung des Prinzips der Erfindung betont wird. Des Weiteren kennzeichnen gleiche Bezugsnummern entsprechende Teile in verschiedenen Ansichten. In den Zeichnungen ist/sind:
1 ein Schaltungsschema einer Leuchtdiodenschaltung mit einer einzigen Kette von in Reihe geschalteten Leuchtdioden;
2 ein Schaltungsschema einer Leuchtdiodenschaltung mit mehreren Ketten von Leuchtdioden, die an Stromregulierungs- und Stromspiegelungs-Elemente (SRS-Elemente) angeschlossen sind;
3 ein Schaltungsschema der Leuchtdiodenschaltung von 2 mit einer erfindungsgemäßen Überwachungs-/Regulierungsschaltung;
4 ein Schaltungsschema der Schaltung von 3 mit einem Satz von an jeweiligen SRS-Elementen erfindungsgemäß angeschlossenen Dioden;
die 5a und 5b Teilschaltungsschemas der Schaltung von 4 in einem Kraftfahrzeuginstrumententafelblock.
Ausführliche Beschreibung
Die folgende Beschreibung stellt eine Leuchtdiodenschaltung zur Steuerung einer Vielzahl von Leuchtdioden (LEDs) dar. Die Schaltung maximiert die Gleichmäßigkeit des Stroms in den LEDs, den Abdunklungsbereich und den Wirkungsgrad bei Minimierung von Kosten, Energieverbrauch und elektromagnetischer Störung.
Obwohl sich die Erfindung allgemein auf eine LED-Schaltung mit einer Hybrid-Parallel-Reihenschaltungskonfiguration bezieht, beginnt die Beschreibung aus Gründen der bildlichen Darstellung mit einer in 1 dargestellten LED-Basisschaltung 100. Die LED-Schaltung 100 enthält eine mit einem LED-Feld 102 und einer Stromregulierungsschaltung 104 in Reihe geschaltete Festspannungsquelle DC mit zum Beispiel 15 V. Die Festspannungsquelle DC ist für die Aufrechterhaltung des erforderlichen Stroms durch die LEDs entsprechend der erwarteten höchsten LED-Kettenspannung ausgelegt. Bei einer Festspannungsversorgung ist die Stromregulierungsschaltung 104 für eine Leistung entsprechend der erwarteten niedrigsten LED-Kettenspannung und des erwarteten höchsten LED-Stroms ausgelegt.
Das LED-Feld 102 enthält eine Vielzahl von in Reihe geschalteten LEDs D10, D11, D12, D13, D14, D15 und Dn. Die LEDs könnten weiße oder farbige, wie zum Beispiel rote, grüne und blaue oder andersfarbige, LEDs oder eine Kombination verschiedener LED-Typen sein. Die als „Dn“ bezeichnete LED verkörpert die n-te LED, wobei n die Gesamtzahl der Dioden im Reihenfeld ist. Obwohl in 1 nur sieben LEDs im LED-Feld 102 dargestellt sind, könnte das LED-Feld 102 jede beliebige Anzahl LEDs haben.
Die Stromregulierungsschaltung 104 umfasst einen Operationsverstärker U1, einen Stromregulierungstransistor (im Folgenden ein als Stromregulierungs-Element bezeichneter npn-Transistor) Q2 und einen Widerstand R20. Der Anodenanschluss von LED D10 ist an die Gleichstromspannungsquelle DC angeschlossen, während der Katodenanschluss der LED Dn mit dem Kollektoranschluss des Stromregulierungstransistors Q2 verbunden ist. Der Operationsverstärker U1 ist an einen Eingangsknoten 106 angeschlossen, der ein Eingangssignal von einem Mikrocomputer oder einer anderen Steuerung empfangen könnte. Das Signal könnte ein Gleichspannungssignal oder ein anderer Signaltyp sein oder, wie dargestellt, ein pulsweitenmoduliertes (PWM-)Signal, so dass die LED-Schaltung 100 in einer Digitalbetriebsart arbeitet. Ein PWM-Eingangssignal steuert die Lichtstärke der LED auf der Basis des Tastverhältnisses und/oder des Spannungspegels des Eingangssignals. Im Allgemeinen werden die LEDs D10 bis Dn heller, wenn das Tastverhältnis ansteigt.
Als Reaktion auf das PWM-Steuersignal vom Eingangsknoten 106 sowie den Emitterstrom des Elements Q2, der durch den Widerstand R20 in eine zum Operationsverstärker U1 rückgekoppelte Spannung umgewandelt worden ist, reguliert die Stromregulierungsschaltung 104 durch Steuerung des Basisstroms des Elements Q2 den Transistorkollektorstrom des Stromregulierungs-Elements Q2 und damit des LED-Felds 102. Auf diese Weise schaltet der Kollektorstrom des Stromregulierungs-Elements Q2 zwischen einem Strom von annähernd Null und einem Strompegel bei einem Tastverhältnis, das in erster Linie durch das PWM-Steuersignal bestimmt wird. Deshalb werden der mittlere Strom und somit die Lichtstärke trotz Schwankungen der LED- und Versorgungsspannungen eine direkte Funktion des Tastverhältnisses sein.
Unter Berücksichtigung des als einzelne Kette in 1 dargestellten LED-Felds 102 kann die LED-Schaltung 100 durch Verwendung von Stromspiegelungstechniken derart erweitert werden, dass sie mehrere LED-Ketten umfasst. Wie zum Beispiel in 2 dargestellt, umfasst eine Schaltung 200 das Feld 102, das derart erweitert worden ist, dass es die Ketten 1 bis m umfasst, so dass das Feld 102 jetzt die Leuchtdioden Di, j enthält, wobei i = 10, 11, ..., n die jeweilige Diode in einer einzelnen Reihe und j = 1, 2, 3, ..., m die jeweilige Kette kennzeichnet. Folglich sind die mit den anderen LED-Ketten 2, 3, ..., m parallel geschalteten LEDs D10,1 bis Dn,1 mit den in 1 gezeigten identisch. Wie n kann m jede beliebige Zahl und muss nicht gleich n sein.
Wie dargestellt, ist die Stromregulierungsschaltung 104 derart erweitert worden, dass jede zusätzliche LED-Kette mit einem jeweiligen Stromspiegelungs-Element Q3 bis Qm + 1 und einem damit verbundenen Widerstand R21 bis Rm + 1 in Reihe geschaltet ist. Wie die Schaltung 100 umfasst jedoch die Stromregulierungsschaltung 104 der Schaltung 200 nur einen einzigen Operationsverstärker U1. Deshalb maximiert die Stromspiegelung ohne Duplizierung der gesamten Regulierungsschaltung die Gleichmäßigkeit des Stroms von Kette zu Kette, was die Kosten minimiert. Die Stromspiegelungstechnik wirkt nach dem Prinzip, dass dann, wenn zwei oder mehrere bipolare Flächentransistoren (BFTs), wie zum Beispiel das Stromregulierungs-Element Q2 und die Stromspiegelungs-Elemente Q3, Q4 und Qm + 1, mit identischer Basis-Emitter-Spannung betrieben werden, sie in einer ersten Näherung identische Kollektorströme leiten werden. Typischerweise werden die BFTs unter Berücksichtigung der Eigenschaften der Betriebstemperatur und externer Schaltungsimpedanzen angepasst, um die Gleichmäßigkeit der Kollektorströme zu maximieren.
Die Schaltung von 2 kann außerdem so erweitert werden, dass sie eine Überwachungs-/Regulierungsschaltung zur Überwachung des Spannungsabfalls über jedes der Stromregulierungs- und Stromspiegelungs-(SRS-)Elemente Q2, Q3, Q4 und Qm + 1 und zur Regulierung der an das LED-Feld 102 auf diesen Messungen basierenden gelieferten Spannung enthält. Der Spannungsabfall über ein leitendes SRS-Element ist ein Hinweis auf den Spannungsbedarf seiner zugehörigen LED-Kette, da jedweder Anteil der Versorgungsspannung, der einen Überschuss der LED-Erfordernisse darstellt, über dem SRS-Element auftreten wird. Außerdem ist der Spannungsabfall über einem leitenden SRS-Element ebenfalls ein Hinweis auf den mit diesem Element verbundenen Energieverbrauch. 3 stellt eine LED-Schaltung 300 dar, die eine solche als 301 gekennzeichnete Überwachungs-/Regulierungsschaltung enthält, die einen Zusatzwandler 302 und einen Zusatzregulator 304 umfasst.
Wenn der Zusatzregulator 304 über einem beliebigen SRS-Element Q2, Q3, Q4 und Qm + 1 einen zu niedrigen Spannungsabfall erfasst, was auf eine annähernde Sättigung des SRS-Elements hinweist, signalisiert der Zusatzregulator 304 dem Zusatzwandler 302, die Spannung zum LED-Feld 102 zu verstärken, damit an den LEDs der erforderliche Strompegel bereitgestellt wird. Wenn ferner der Regulator 304 erfasst, dass ein beliebiger SRS-Spannungsabfall zu hoch ist, was auf einen damit verbundenen übermäßigen Energieverbrauch hinweist, signalisiert der Regulator 304 dem Wandler 302, die Versorgungsspannung zu verringern. Somit wird anders als bei den Schaltungen 100 (1) und 200 (2) die Spannungsversorgung zum LED-Feld 102 reguliert, anstatt fest zu sein. Folglich müssen die Spannungsversorgung DC und die Stromregulierungsschaltung 104 im Gegensatz zu den Schaltungen 100 und 200 nicht für die ungünstigsten Betriebsbedingungen ausgelegt sein.
In 4 ist eine der Schaltung 300 ähnliche Schaltung 400 dargestellt, in der jedoch zu den SRS-Elementen Q2, Q3, Q4 bzw. Qm + 1 gehörende Dioden D2, D3, D4 und Dm + 1 zur Messung des geringsten SRS-Spannungsabfalls mit einem minimalen Schaltungsanteil verwendet werden. Natürlich kann, wenn die Dioden D2, D3, D4 und Dm + 1 in entgegengesetzter Richtung angeordnet werden, der höchste SRS-Spannungsabfall gemessen werden. In jedem Fall ist nur eine einzige Verbindung zum Anschluss der Stromregulierungsschaltung 104 an den Zusatzregulator 304 erforderlich. (Zum Vergleich: In Schaltung 300 von 3 sind m solche Verbindungen erforderlich.) In Schaltung 400 spannt das SRS-Element Q2, Q3, Q4 und Qm + 1 mit dem geringsten SRS-Spannungsabfall seine jeweilige Diode D2, D3, D4 und Dm + 1 in Durchlassrichtung vor, was die Rückkopplung des Zusatzregulators 304 auf den Zusatzwandler 302 beeinflusst, so dass die Spannungsversorgung des LED-Felds 102 auf dem angemessenen Pegel gehalten wird.
Es ist zu beachten, dass anstelle der Messung des Spannungsabfalls über den SRS-Elementen Q2, Q3, Q4 und Qm + 1 zur Steuerung der Spannungsversorgung zum LED-Feld 102 andere Techniken zur direkten Messung des Spannungsabfalls oder der Spannungsabfälle über den LED-Ketten 1, 2, 3 und m verwendet werden können. Falls außerdem eine Schaltung zur Temperaturmessung in der Nähe der SRS-Elemente Q2, Q3, Q4 und Qm + 1 enthalten ist, kann die Temperaturmessung, wie zuvor beschrieben, in Verbindung mit den Messungen des SRS-Energieverbrauchs durchgeführt werden, um die Temperaturen der SRS-Elemente Q2, Q3, Q4 und Qm + 1 durch Versorgungsspannungs- und/oder PWM-Regulierung zu beeinflussen. Die Verwendung dieser Techniken könnte den Einsatz kleinerer und kostengünstigerer Elektronikgeräte erleichtern, da sie nicht für die ungünstigsten Betriebsbedingungen ausgelegt sein müssen. Außerdem könnten diese Techniken eine Möglichkeit zur Erfassung von Fehlerzuständen bereitstellen.
Die sich aus den 5a und 5b zusammensetzende 5 stellt eine besondere Implementierung der Schaltung 400 (4) in einer Schaltung 500 eines Kraftfahrzeuginstrumentenblocks dar. Das LED-Feld 102 in der Schaltung 500 ist in parallelen Ketten angeordnet, so dass die zusammengesetzten LED-Spannungen mit in der Fahrzeugelektronik üblichen Geräten kompatibel sind.
Der Zusatzregulator 304 enthält einen als IC1 (integrierter Schaltkreis) gekennzeichneten PWM-Steuer-IC. Die Steuerung IC1 reguliert die Zusatzversorgungsausgangsspannung des Zusatzwandlers 302 durch Regulierung einer skalierten Version der Zusatzausgangsspannung (Rückkopplungsspannung), die von einem Widerstand/Teiler-Netzwerk R9 und R10 abgeleitet wird. Der Steuer-IC IC1 verwendet zur Regulierung der Ausgangsspannung unter Anwendung der PWM-Techniken die Differenz zwischen der Rückkopplungsspannung und einer internen Bezugsspannung.
Wie zuvor beschrieben, reguliert die Stromregulierungsschaltung 104 den Transistorkollektorstrom der SRS-Elemente Q2 bis Qm + 1 (und damit den dazugehörenden LED-Kettenstrom) durch Steuerung des Basisstroms der SRS-Elemente Q2 bis Qm + 1 entsprechend einem PWM-Steuersignal vom Eingang 106 und dem Emitterstrom der SRS-Elemente Q2 bis Qm + 1. Somit schaltet der Kollektorstrom der SRS-Elemente Q2 bis Qm + 1 zwischen einem Strom von annähernd Null und einem Strompegel, der in erster Linie durch das PWM-Steuersignal bestimmt wird.
Durch Anwendung des Spiegelungskonzepts wird der Basisanschluss des Stromregulierungs-Elements Q2 mit den Basisanschlüssen der ähnlichen Stromspiegelungs-Elemente Q3, Q4, Q5 und Qm + 1 verbunden, die an die jeweils übrigen parallelen LED-Ketten angeschlossen sind. Damit teilt sich jedes der SRS-Elemente Q2, Q3, Q4, Q5 und Qm + 1 im Grunde genommen in dieselbe Basis-Emitter-Spannung und führt deshalb größtenteils gleichmäßige Kollektorströme. Die Verwendung identischer Transistoren für die in demselben Gehäuse integrierten SRS-Elemente maximiert die Gleichmäßigkeit der Kollektorströme. Die Kollektor- und die Emitteranschlüsse der SRS-Elemente Q2, Q3, Q4, Q5 und Qm + 1 sind mit ähnlichen Kollektor- und die Emitterschaltungen verbunden. Vor allem der Kollektoranschluss jedes der SRS-Elemente Q2, Q3, Q4, Q5 bzw. Qm + 1 ist mit dem Katodenanschluss der Dioden D2, D3, D4 bzw. Dm + 1 verbunden. Die Anodenanschlüsse der Dioden D2, D3, D4 bzw. Dm + 1 sind miteinander verbunden und wiederum an einen Widerstand R11 mit einem angemessenen Wert angeschlossen. Die andere Seite des Widerstands R11 ist an ein Rückkopplungswiderstandsteilernetzwerk R9 und R10 angeschlossen. Ähnlich zur Konfiguration von 4 verändert die Diode D2, D3, D4 oder Dm + 1 mit der niedrigsten Katodenspannung die Rückkopplung des Zusatzregulators 304 und damit den Ausgangsspannungspegel des Zusatzwandlers 302 entsprechend der niedrigsten SRS-Kollektorspannung. Da alle LEDs im Feld 102 normalerweise vom selben Typ sind und deshalb auf einem im Wesentlichen gleichen Temperaturniveau arbeiten, sollten die SRS-Kollektorspannungen größtenteils gleichmäßig sein. Weil die Versorgungsspannung derart reguliert wird, dass das SRS-Element mit der niedrigsten Kollektorspannung nicht gesättigt wird, ist abgesichert, dass eine adäquate Spannung die restlichen LED-Ketten betreibt. Da außerdem die Zusatzspannung vom Zusatzwandler 302 derart dynamisch reguliert wird, dass die SRS-Spannungsabfälle minimiert werden, wird der Energieverbrauch gegenüber einer für die ungünstigste LED-Kettenspannung ausgelegten stationären Spannungsversorgung, wie in den Schaltungen 100 (1) und 200 (2), verringert. Durch den verringerten Energieverbrauch verringert sich die Betriebstemperatur der Schaltungskomponenten, wodurch die Verwendung kleinerer, kostengünstigerer Komponenten, eine Erhöhung des zulässigen Arbeitsstroms und damit der Lichtstärke der LEDs möglich ist und sich die Gebrauchsdauer der Schaltungskomponenten verlängert.
Zusammengefasst hat die Leuchtdiodenschaltung 500 eine Hybrid-Parallel-Reihenschaltungskonfiguration. Die Parallelschaltungen begrenzen die Schaltungsspannungen auf angemessene Pegel, die denen der in der Fahrzeugelektronik üblichen Komponenten, Sicherheitsanforderungen, elektromagnetischen Störungen und geringen Kosten entsprechen. Außerdem minimieren die Parallelschaltungen die Wahrscheinlichkeit eines Totalausfalls der Beleuchtung durch Ausfall einer oder mehrerer LEDs. Die Reihenschaltungen maximieren die Gleichmäßigkeit des Stroms innerhalb jeder Reihenkette und minimieren die Anzahl der Stromregulierungs-Elemente und in Verbindung damit die Kosten und den Energieverbrauch. Die Stromregulierung bietet trotz Schwankungen in Quellen- und LED-Spannungen eine präzise Steuerung des Stroms und der Lichtstärke. In Verbindung mit der Stromregulierung verwendete Stromspiegelungstechniken maximieren die Gleichmäßigkeit des Stroms über die parallelen Ketten mit minimalem Schaltungsaufwand. Eine digitale Steuerung (wie zum Beispiel die PWM-Steuerung) wird verwendet, um einen breiten Bereich von Betriebslichtstärke (das heißt Abdunklungsbereich) und eine Vereinfachung von Mikrocomputersteuerung und Mikrocomputeranschluss zu erreichen. Das in Verbindung mit Stromregulierungs- und Stromspiegelungstechniken angewendete PWM-Verfahren maximiert den LED-Wirkungsgrad und die Farbbeständigkeit. Und schließlich wird zur Minimierung des Energieverbrauchs der Stromregulierungs- und Stromspiegelungs-Elemente die Versorgungsspannung den LED-Erfordernissen entsprechend reguliert. Um das zu verwirklichen, wird die Spannung über jedem SRS-Element gemessen und die Versorgungsspannung entsprechend der LED-Spannung und dem Energiebedarf reguliert.

Die LED-Schaltung 500 der 5 könnte Komponenten enthalten, wie sie in Tabelle 1 aufgelistet sind. Wie die mit dem Fachgebiet vertrauten Personen erkennen werden, könnten in der LED-Schaltung 500 auch andere Komponententypen und Komponenten mit anderen Werten verwendet werden. Tabelle 1

Komponente	Beschreibung
C1	ein Kondensator mit einer Kapazität von zum Beispiel 220 µF
C2	ein Kondensator mit einer Kapazität von zum Beispiel 100 µF
C3	ein Kondensator mit einer Kapazität von zum Beispiel 10 nF
C4	ein Kondensator mit einer Kapazität von zum Beispiel 1 nF
C5	ein Kondensator mit einer Kapazität von zum Beispiel 47 nF
C6	ein Kondensator mit einer Kapazität von zum Beispiel 220 nF
C7	ein Kondensator mit einer Kapazität von zum Beispiel 10 nF
C8	ein Kondensator mit einer Kapazität von zum Beispiel 1 nF
D1	eine Diode, wie Modell MURS 120 von On Semiconductor
D2 bis Dm + 1	jeweils eine Diode, wie Modell BAS21 von On Semiconductor
D10,1 bis Dn, m	jeweils eine Leuchtdiode, wie Modell LWE 67C von Osram
IC1	eine PWM-Steuerung, wie Modell CS2841 von On Semiconductor
L1, L2	jeweils eine Spule mit einer Induktivität von zum Beispiel 170 µH
Q1	ein MOSFET, wie Modell IRFZ24NS von International Rectifier
Q2 bis Qm + 1	jeweils ein NPN-Transistor, wie Modell MPSA06 von On Semiconductor
U1	ein Operationsverstärker, wie Modell LM2904D von National Semiconductor
R1, R2	jeweils ein Widerstand von zum Beispiel 1 Ω
R3	ein Widerstand von zum Beispiel 30 kΩ
R4	ein Widerstand von zum Beispiel 1,5 kΩ
R5	ein Widerstand von zum Beispiel 1 kΩ
R6	ein Widerstand von zum Beispiel 1,27 kΩ
R7	ein Widerstand von zum Beispiel 30 kΩ
R8	ein Widerstand von zum Beispiel 1 MΩ
R9	ein Widerstand von zum Beispiel 22,1 kΩ
R10	ein Widerstand von zum Beispiel 28 kΩ
R11	ein Widerstand von zum Beispiel 4,75 kΩ
R12	ein Widerstand von zum Beispiel 1,5 kΩ
R13	ein Widerstand von zum Beispiel 1,05 kΩ
R14	ein Widerstand von zum Beispiel 280 kΩ
R15	ein Widerstand von zum Beispiel 1,05 kΩ
R16	ein Widerstand von zum Beispiel 22,1 kΩ
R17	ein Widerstand von zum Beispiel 30 kΩ
R20 bis Rm + 19	jeweils ein Widerstand von zum Beispiel 10 Ω

Die voranstehende ausführliche Beschreibung soll deshalb lediglich als Darstellung des Prinzips und nicht als Beschränkung zu betrachten sein und verdeutlichen, dass die nachfolgenden Patentansprüche einschließlich aller Äquivalente dafür gedacht sind, den Sinn und Geltungsbereich der Erfindung zu definieren.

Claims

Leuchtdioden-Schaltung (300), umfassend – eine Vielzahl von parallel geschalteten LED-Ketten, wobei jede LED-Kette eine Vielzahl von in Reihe geschalteten LEDs enthält, – eine Stromregulierungsschaltung (104), welche ein an eine erste Kette einer Vielzahl von LED-Ketten angeschlossenes Stromregulierung-Element (Q2) und eine Vielzahl von Stromspiegelungs-Elementen (Q3, Q4, Qm + 1) enthält, wobei jedes Stromspiegelungs-Element (Q3, Q4, Qm + 1) mit einer jeweiligen Kette der Vielzahl von LED-Ketten verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der Vielzahl von LED-Ketten und der Stromregulierungsschaltung (104) verbundene Überwachungs-/Regulierungsschaltung (301) ausgebildet ist, wobei die Überwachungs-/Regulierungsschaltung den Spannungsabfall über den Stromregulierungs- und Stromspiegelungs-Elementen (Q2, Q3, Q4, Qm + 1) oder den LED-Ketten überwacht und eine Versorgungsspannung zur Vielzahl von LED-Ketten auf der Basis der erfassten Spannungsabfälle reguliert.
Leuchtdioden-Schaltung (300) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungs-/Regulierungsschaltung (301) einen Zusatzregulator (304) und einen Zusatzwandler (302) enthält, wobei der Zusatzregulator (304) den Spannungsabfall über den Stromregulierungs- und Stromspiegelungs-Elementen (Q2, Q3, Q4, Qm + 1) oder den LED-Ketten überwacht und ein Rückkopplungssignal an den Wandler (302) liefert, wobei der Wandler (302) als Reaktion auf das Rückkopplungssignal die Versorgungsspannung zur Vielzahl von LED-Ketten reguliert.
Leuchtdioden-Schaltung (300) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromregulierungsschaltung (104) einen gleichmäßigen Strom in der Vielzahl von LED-Ketten als direkte Funktion des Pegels und des Tastverhältnisses eines von der Stromregulierungsschaltung (104) gelieferten Steuersignals aufrechterhält.
Leuchtdioden-Schaltung (300) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal ein pulsweitenmoduliertes Signal ist.